Ультратонкие материалы скручивают свет в оптические вихри для ускорения передачи данных

Прохождение циркулярно-поляризованного света через ван-дер-ваальсовы материалы заставляет луч закручиваться. Автор: Джеган Джо и др.

Представьте водоворот в реке или торнадо в небе. Они не просто вращаются на месте — они движутся вперед, сохраняя спиральное движение внутри себя. Эти закручивающиеся движения, называемые вихрями, представляют собой мощные и организованные спирали. Теперь представьте свет, который ведет себя так же: луч света, который вращается при движении вперед. Этот «скрученный» свет, известный как оптический вихрь, может нести больше информации, чем обычный свет, открывая путь к более быстрому интернету и сверхбезопасной связи.

Оптические вихри можно создавать, пропуская луч света через специальный материал, который заставляет луч начать скручиваться.

Современные генераторы оптических вихрей полагаются на дорогие и сложные производственные технологии или громоздкие кристаллы. Но наша команда нашла новый, простой способ генерации этого скрученного света с использованием дешевых ультратонких материалов.

Они называются ван-дер-ваальсовыми (vdW) материалами и состоят из слоев, которые сцепляются друг с другом посредством так называемой силы Ван-дер-Ваальса — межмолекулярной силы, которая позволяет паукам ходить по потолку, не падая. Она достаточно сильна, чтобы удерживать слои вместе, но достаточно слаба, чтобы их можно было легко разъединить и перенастроить.

Наш метод, опубликованный в журнале Light: Science & Applications, работает без необходимости нанофабрикации. Вместо этого мы используем естественные оптические свойства этих vdW-материалов для изменения формы света при его прохождении. Он работает на масштабах тоньше человеческого волоса.

Мы обнаружили, что когда циркулярно-поляризованный свет (тип света, в котором все фотоны вращаются в одном направлении) попадает в эти тонкие vdW-кристаллы, направление его вращения меняется на противоположное, и он приобретает спиральное скручивание, превращаясь в оптический вихрь.

Это скручивание происходит потому, что vdW-материалы замедляют свет по-разному в зависимости от того, как он входит — свойство, известное как двулучепреломление.

Это можно сравнить со светом, попадающим в зеркальный лабиринт: части луча по-разному изгибаются или растягиваются, и в результате получается скрученный световой луч в форме бублика.

Мы продемонстрировали это на двух распространенных vdW-материалах: гексагональном нитриде бора (hBN) и дисульфиде молибдена (MoS₂).

Мы направляли лазерные лучи через образцы каждого материала и измеряли, насколько хорошо свет скручивается. Даже с образцами толщиной всего 8 микрометров (для hBN) или 320 нанометров (для MoS₂) нам удалось получить четко определенные пучки оптических вихрей.

Это важно, поскольку показывает, что метод работает в чрезвычайно малых масштабах. Он также работает эффективно, преобразуя почти половину падающего света в скрученные лучи. Мы также провели компьютерное моделирование, которое предполагает, что мы могли бы повысить эффективность еще больше, изменив форму светового пучка перед его попаданием в материал.

Демонстрация генерации оптического вихря с использованием кристалла hBN. Автор: Light: Science & Applications (2025). DOI: 10.1038/s41377-025-01926-7

Почему это важно за пределами лаборатории?

Этот скрученный луч может стать будущим высокоскоростной связи.

Благодаря своей спиральной структуре оптические вихри предлагают дополнительное измерение для кодирования информации. Представьте их как строительство дополнительных полос на магистрали данных, чтобы больше информации могло передаваться одновременно.

Наш метод открывает путь к созданию более компактных, дешевых и масштабируемых оптических устройств, которые можно интегрировать в будущие системы связи, включая спутники.

Чтобы внедрить эту технологию в реальный мир, мы работаем над повышением эффективности преобразования, обеспечением совместимости системы с существующими коммуникационными технологиями и изучаем способы ее интеграции в более крупные оптические системы.

Больше информации: Джеган Джо и др., Spin-orbit coupling in van der Waals materials for optical vortex generation, Light: Science & Applications (2025). DOI: 10.1038/s41377-025-01926-7

Источник: University of Melbourne