UKŁADY ATOMOWE

Niemieckim koordynatorem przedsięwzięcia pt. Light-matter-interaction in nanooptical systems beyond dipole approximation będzie prof. Carsten Rockstuhl z Karlsruhe Institut fuer Technologie. Polsko-niemieckie badania będą prowadzone w latach 2017-2018. Ich przedmiotem jest oddziaływanie układów atomowych (takich jak atomy, cząsteczki czy kropki kwantowe) ze światłem o właściwościach modyfikowanych przez nanostruktury metaliczne.

Problem oddziaływań światła z materią ma implikacje dla takich zastosowań jak lasery, pułapki atomowe, pęsety optyczne, przetworniki sygnałów czy informacji kwantowej. Szczególnie ciekawe jest zagadnienie wymiany energii między światłem a pojedynczymi elementami materii, takimi jak atomy, cząsteczki, tzw. "sztuczne atomy", czyli kropki kwantowe itp. W "naturalnych" warunkach: w powietrzu czy w próżni, takie oddziaływanie zachodzi niesłychanie rzadko ze względu na ogromną różnicę rozmiarów impulsu świetlnego i np. cząsteczki. Prawdopodobieństwo oddziaływania zwiększa się jednak znacznie w pobliżu nanostruktur metalicznych, które są zdolne do lokalizacji energii świetlnej do obszarów przestrzennych porównywalnych z rozmiarami cząsteczki. Nanostruktury można projektować tak, by sterować oddziaływaniem jednocześnie w kilku kanałach (np. za pomocą wymiany energii między cząsteczką a częścią elektryczną bądź magnetyczną impulsu), wzmacniających lub wygaszających się wzajemnie.

Celem badań jest stworzenie warsztatu teoretycznego do opisu wielokanałowych oddziaływań światła w otoczeniu nanostruktur metalicznych z układami atomowymi. Warsztat ten posłuży inżynierii nanostruktur i nanomateriałów, które zostaną wykorzystane do realizacji zadań takich jak ultraczuła detekcja pojedynczych atomów i cząsteczek, niezwykle szybkie przetwarzanie sygnałów, szerokopasmowe kodowanie informacji czy kryptografia: wszystko to w nanoskali.

Dr Karolina Słowik skończyła studia magisterskie na specjalności fizyka teoretyczna i komputerowa z tytułami najlepszego studenta i najlepszego absolwenta Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK. W tym czasie podjęła współpracę z profesorami Andrzejem Raczyńskim i Jarosławem Zarembą z UMK, którą kontynuowała w ramach studiów doktoranckich. Badania, realizowane po części we współpracy z ośrodkami we Włoszech i w Polsce, dotyczyły teoretycznych aspektów rozchodzenia się impulsów świetlnych przez ubrane optycznie ośrodki atomowe, w szczególności zjawiska elektromagnetycznie wymuszonej przezroczystości i zatrzymania światła, a także ich potencjalnego zastosowania w konstrukcji kwantowych bramek logicznych dla światła. Po wyróżnionej obronie doktoratu, dr Karolina Słowik poszerzała wachlarz zainteresowań naukowych jako postdoc w grupie profesorów Falka Lederera i Carstena Rockstuhla na Uniwersytecie w Jenie w Niemczech. Był to jeden z najważniejszych na świecie ośrodków specjalizujących się w teoretycznej plazmonice i nanofotonice. Współpraca grupy i KS umożliwiła badanie zagadnień na styku plazmoniki i optyki kwantowej, dotyczących oddziaływania światła o właściwościach modyfikowanych przez nanocząstki metaliczne z układami kwantowymi typu cząsteczek czy kropek kwantowych. Dzięki stypendium w projekcie WZROST UMK, dr Słowik odbyła drugi staż podoktorski na Karlsruhe Institute of Technology (KIT) w Niemczech, dokąd w międzyczasie przeniosła swoją siedzibę grupa prof. Rockstuhla. Tam nawiązała współpracę z grupą eksperymentalną prof. Wolframa Pernice'a, która pracowała m.in. nad wykorzystaniem wzbudzanych elektrycznie nanorurek węglowych jako źródeł światła. Nanorurki zostały następnie umieszczone w obwodzie zintegrowanym z mikroskopowymi nadprzewodzącymi detektorami, umożliwiającymi zliczanie emitowanych fotonów. Karolina Słowik znalazła, za pomocą dopasowań metodami numerycznymi, parametry określające właściwości statystyczne światła emitowanego przez nanorurki, z których można wnioskować o jego nieklasycznym, czyli kwantowym charakterze. To sugeruje, że zintegrowany obwód kwantowy oparty o nanorurki, zbudowany po raz pierwszy na świecie, stanowi milowy krok na drodze ku miniaturyzacji urządzeń kwantowooptycznych, stosowanych w komunikacji, kryptografii i przetwarzaniu informacji kwantowej, zakodowanej w pojedynczych fotonach. Doniesienie o konstrukcji obwodu i analiza jego właściwości stanowiły treść artykułu w Nature Photonics.

Obecnie dr Karolina Słowik pracuje na stanowisku adiunkta w Instytucie Fizyki UMK. Jest laureatką konkursu POLONEZ 1 Narodowego Centrum Nauki oraz konkursu HOMING Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (FNP). Od października 2016 r. kieruje projektem badawczym HEIMaT, finansowanym przez FNP i dotyczącym badania wpływu nanostruktur plazmonicznych na przejścia kwantowe w molekułach. Jest on realizowany
w IF UMK w ścisłej współpracy z kolegami z KIT.

Prywatnie dr Karolina Słowik jest mamą trzyletniej córeczki. Interesuje się życiem codziennym w średniowieczu. Lubi spędzać czas z bliskimi, podróżując i czytając książki. Opiekuje się kotką i parą psów.