Taki cienki, a taki mocarny. Ten materiał zmienia światło w optyczny wir

Zamiast skomplikowanych procesów produkcyjnych i drogiego sprzętu, badacze postawili na naturalne właściwości ultracienkich materiałów. Nowa technologia wykorzystuje materiały van der Waalsa do generowania skręconego światła zdolnego przenosić więcej informacji niż tradycyjne wiązki. To podejście eliminuje konieczność precyzyjnej nanofabrykacji, która do tej pory stanowiła główną barierę w komercjalizacji tej technologii.

Tajemnica kryje się w siłach van der Waalsa

Sercem całego systemu są materiały, w których warstwy połączone są tymi samymi siłami, które umożliwiają pająkom chodzenie po pionowych powierzchniach. Te delikatne, ale skuteczne oddziaływania pozwalają na łatwe rozdzielanie i rekonfigurację warstw bez utraty kluczowych właściwości optycznych.

Zespół z University of Melbourne skupił się na dwóch specyficznych materiałach – heksagonalnym azotku boru oraz dwusiarczku molibdenu. Ich najcenniejszą cechą okazała się wysoka dwójłomność, czyli zdolność do spowalniania światła w różnym stopniu w zależności od kąta padania promieni.

Jak to właściwie działa?

Kluczowym zjawiskiem jest tutaj sprzężenie spinowo-orbitalne. Gdy światło spolaryzowane kołowo przechodzi przez cienkie kryształy, kierunek jego obrotu ulega odwróceniu, a sama wiązka nabiera spiralnego charakteru. Powstaje w ten sposób struktura przypominająca tornado świetlne, zdolna do przenoszenia dodatkowych danych dzięki swojej unikalnej topologii.

Czytaj także: Wiry optyczne, jakich jeszcze nie było. Przełom, na który czekaliśmy?

Cały proces zachodzi naturalnie, wykorzystując wrodzone właściwości optyczne materiału. Nie ma potrzeby precyzyjnego kształtowania powierzchni czy skomplikowanych modyfikacji – natura robi to za nas.

Miniaturyzacja bije rekordy

Wyniki eksperymentów zaskoczyły nawet samych badaczy. Udało im się wygenerować dobrze zdefiniowane wiry optyczne przy użyciu próbek o grubości zaledwie 8 mikrometrów dla azotku boru i 320 nanometrów dla dwusiarczku molibdenu. Dla porównania – ludzki włos ma średnio około 70 mikrometrów grubości.

Efektywność konwersji również robi wrażenie. Kryształ hBN osiągnął wydajność na poziomie 30%, podczas gdy dwusiarczek molibdenu zbliżył się do 46%, co jest wartością bliską teoretycznemu maksimum. Nawet ultracienka warstwa MoS₂ o grubości 320 nanometrów wykazała zdolność generowania wirów z 9% skutecznością.

Czy to rzeczywiście zmieni komunikację?

Teoretycznie wiry optyczne oferują dodatkowy wymiar kodowania informacji, co można porównać do dodania nowych pasów na autostradzie danych. Każdy wir może przenosić unikalny ładunek topologiczny, potencjalnie zwiększając przepustowość istniejących systemów.

Technologia wydaje się szczególnie obiecująca dla komunikacji satelitarnej i systemów wymagających wysokiego poziomu bezpieczeństwa. Materiały vdW łączą w sobie szerokie pasmo spektralne, minimalną grubość i przyzwoitą wydajność – kombinację idealną dla zintegrowanej fotoniki.

Realistyczne spojrzenie na przyszłość

Symulacje wskazują na możliwość zwiększenia wydajności nawet do 96% przy użyciu specjalnych wiązek Bessela, ale to wciąż tylko teoretyczne modele. Praktyczna implementacja zawsze przynosi niespodzianki.

Naukowcy pracują obecnie nad poprawą wydajności konwersji i integracją z istniejącymi systemami komunikacyjnymi. Eliminacja głównych barier – wysokich kosztów i skomplikowanej produkcji – z pewnością przyśpieszy prace.

Czytaj także: Wiry magnetyczne zapewniają niebywałe możliwości. Dzięki nim można przesyłać dane na niespotykaną do tej pory skalę

Największą zaletą tej metody jest jej prostota. Jeśli uda się utrzymać obecne parametry przy skalowaniu produkcji, możemy być świadkami ciekawej ewolucji w technologiach przesyłu danych. Ale jak to zwykle bywa z przełomowymi odkryciami – prawdziwy test dopiero przed nami.