Предоставлено: Nano Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04193

Четвертая промышленная революция приводит к экспоненциальному росту передачи данных, и для управления стремительно растущим объемом передачи данных срочно необходимы экономичные, сверхбыстрые и компактные технологии оптической связи. Вихревые лучи, имеющие закрученную форму вокруг оси распространения, могут увеличить количество информации, которая может храниться на той же частоте.

Таким образом, они представляют собой многообещающее направление для разработки технологий оптической связи с высокой пропускной способностью, которые превзойдут 5G и проложат путь к 6G. С этой целью исследовательская группа из Университета науки и технологий Пхохана (POSTECH) разработала вихревой луч, способный работать с широким диапазоном световых частот за счет использования метаповерхности.

Выводы опубликованы в журнале Nano Letters.

Профессор Джунсук Ро (кафедра машиностроения и химической инженерии) вместе с доктором философии, кандидат Джухун Ким (факультет машиностроения) возглавил группу, которая предложила метаповерхность, способную независимо контролировать два состояния ортогональной поляризации в широком диапазоне длин волн от ультрафиолетового до видимого света. Кроме того, исследователи продемонстрировали возможность создания и обнаружения вихревых пучков с разными топологическими зарядами с помощью метаповерхности.

Орбитальный угловой момент (ОУМ) — это термин, используемый для описания завихрения, которое свет принимает по мере своего движения. Когда свет принимает этот закрученный узор, он называется вихревым лучом. Вихревые лучи могут хранить больше информации при той же частоте или состоянии поляризации, чем обычные световые лучи.

Независимый вихревой луч оптических вихревых лучей сделал их важным инструментом в оптике с различными приложениями, включая оптический пинцет и создание голографических видео. Однако для создания оптических вихревых пучков традиционно требовалось громоздкое и тяжелое оборудование, называемое пространственными модуляторами света (ПМС). Кроме того, введение ультрафиолетовых оптических вихревых лучей было затруднено из-за отсутствия ПМС, работающих в этом диапазоне.

Недавние достижения в технологии нанотехнологий позволили реализовать высокоэффективные, широкополосные и многофункциональные метаповерхности, способные модулировать многие свойства света, включая фазу, амплитуду и поляризацию. Однако, несмотря на эти достижения и продолжающиеся исследования, управление светом в ультрафиолетовом диапазоне остается проблемой.

Исследовательская группа выбрала тонкую и легкую метаповерхность для создания поляризатора, способного генерировать оптические вихревые лучи при воздействии ультрафиолетового света, в отличие от громоздких и тяжелых SLM, традиционно используемых для этой цели. Исследователи использовали нитрид кремния, материал с высоким коэффициентом преломления и не поглощающий ультрафиолетовый свет.

Одним из ограничений метаповерхностей является то, что их функция постоянно фиксируется после их обработки, что затрудняет их модификацию. Однако в этом исследовании команда нарушила вращательную симметрию метаповерхности, чтобы спроектировать ее с различными функциями в зависимости от поляризации падающего света. Этот подход позволяет хранить больше информации на одной метаповерхности, открывая потенциальные приложения в различных областях.

Профессор Ро объяснил: "Наше исследование подтвердило многофункциональность метаповерхностей, которые могут создавать оптические вихревые лучи с различными топологическими зарядами в зависимости от состояния поляризации падающего света. Создание ультрафиолетовых оптических вихревых лучей также расширяет возможности применения оптических вихревых лучей."