利用芯片上的结构光实现的又一光子学突破
发布时间：2023-05-19 08:00:00 阅读数： 88
每个人每天都会遇到光线或光束，这是光的最纯粹的形式之一。然而，光可能会呈现出更奇怪的形状。因此，即使是光束也可以被弯曲成螺旋状；这些被称为涡流光束，具有奇特的特征。尘埃粒子在暴露于这种光束时可以旋转，就像它们在一些虚构的螺旋线上行驶时一样。
引导结构光的通道--硅光子芯片的原型，其信息被编码在光模式的旋转结构中。图片来源：Svetlana Kiriushechkina
"结构化 "光模式是那些具有这种额外结构的模式，甚至更不寻常的结构化光类型可以在超材料中产生，超材料是人工光学材料，其中多个光波相互作用，产生最复杂的光的形式。
来自纽约城市学院的Alexander Khanikaev小组的研究人员在他们最近的两篇文章中在硅芯片上创造了结构光，这两篇文章背靠背地发表在著名的《科学进展》和《自然-纳米技术》杂志上。他们利用这种新增的结构来实现以前不可能实现的新功能和控制。
为了实现这一目标，他们开发了被称为超表面的二维光学超材料。这些材料包含一种独特的结构光，像旋涡光束一样旋转着。Khanikaev小组在城市学院所做的测试证明了一种创新的陷阱类型，以限制结构化的光学模式并将其引导到芯片上。
研究人员在《科学进展》一文中展示了人们如何通过逐渐改变元表面在两个方向上的布局来创造捕捉和发射结构光的光学谐振器。有趣的是，由这种底层结构产生的光学涡流束是不常见的光发射模式。
研究人员通过采用《自然-纳米技术》文章中描述的一个方向上的类似适度的图案转变，开发了结构光的波导。这些通道在保留光的固有结构的同时实现了光学信号的转向。
因此，如果我们能够创造出具有两种不同味道的电荷的电线，这将类似于电线中的电流流动。
由于最近对电子学中的这种电流的兴趣惊人地激增，人们设想了一类全新的电子设备，即自旋电子或谷底电子。在这种设备中，电子的自旋或谷值，而不是单纯的电荷流，将传递信息，有望比传统的电子设备有若干好处。
这个概念与Khanikaev的工作类似，只是用光来代替电子。与电子系统相比，光学和光子学提供了一个关键的优势：光学模式不会像电子那样经历退相干，这对于量子技术可能是至关重要的。
有几个因素使Khanikaev小组的演示适用于量子应用。为了以量子比特的形式编码量子信息，可以利用光模式的额外结构。为了在遥远的系统中传输量子信息，这些信息随后可以在芯片上传输或释放到空间。
Khanikaev小组现在正努力将这些概念应用于结构化光的量子态，并在其光子纳米结构中实现量子逻辑，这是在正确方向上迈出的一步。
参考资料：Chen, K., et al. (2023) Photonic Dirac cavities with spatially varying mass term. Science Advances. doi:10.1126/sciadv.abq4243.
Kiriushechkina, S., et al. (2023) Spin-dependent properties of optical modes guided by adiabatic trapping potentials in photonic Dirac metasurfaces. Science Advances. doi:10.1038/s41565-023-01380-9.
