Группа исследователей разработала новый метод использования холестерических жидких кристаллов в оптических микрополостях
Команда учёных из факультета физики Варшавского университета, Военного технологического университета и Института Паскаля при Университете Клермон-Овернь разработала платформу, которая позволяет формировать и динамически настраивать фотонные кристаллы с интегрированной спин-орбитальной связью (SOC) и контролируемым лазерным излучением. Результаты исследования опубликованы в журнале Laser & Photonics Reviews.
Как это работает
В оптической полости размещена структура однородной лежащей спирали (ULH) холестерической фазы жидкого кристалла. Самоорганизующаяся спиральная структура с осью, лежащей в плоскости полости, действует как одномерная периодическая фотонная решётка. Это возможно благодаря уникальным свойствам жидких кристаллов, которые представляют собой вытянутые молекулы, напоминающие карандаш.
Профессор Яцек Щчицко из факультета физики Варшавского университета объясняет, что холестерическая структура — это спиральная структура, состоящая из слоёв почти параллельно ориентированных молекул, лежащих в одной плоскости. Из слоя в слой ориентация молекул плавно закручивается, что в совокупности создаёт спиральную структуру, напоминающую спирали ДНК или лапшу «пиггибэк». Направление, перпендикулярное слоям молекул, определяет ось спирали.
Преимущества исследования
Использование оптических микрополостей ограничивает движение света в одном измерении, придавая ему свойства, аналогичные частицам, наделённым массой. В полости фотоны, не имеющие массы покоя, начинают вести себя как массивные частицы. Добавление фотонного потенциала в пространстве с заданным периодом, связанным с прыжком спирали, расширяет эту аналогию и позволяет дополнительно манипулировать этими свойствами.
Цель исследования — обнаружить, как свет может приобретать свойства, обычно приписываемые материи, сохраняя при этом свои уникальные характеристики.
Оптические микрополости были изготовлены исследователями из Военного технологического университета в группе профессора Витора Пьечека с использованием спиральных структур, созданных профессором Евой Отон в полостях, изготовленных доктором Пшемыславом Моравяком и доктором Рафалом Мазуром.
Развитие подходящей жидкокристаллической смеси
Разработка подходящей жидкокристаллической смеси и условий, которые позволяют формировать хорошо упорядоченную однородную спираль на большой площади оптической полости, является сложной задачей в области материаловедения и технологии жидких кристаллов.
Группа профессора Пьечека имеет многолетний опыт в управлении самоорганизующимися структурами жидких кристаллов.
Применение в квантовой коммуникации
Исследователи из Института фотонных технологий Лейбница (Leibniz IPHT) в Йене, Германия, вместе с международными коллегами разработали два дополнительных метода, которые могут сделать квантовую связь через волоконную оптику практичной за пределами лаборатории.
Один подход значительно увеличивает объём информации, который может быть закодирован в одном фотоне; другой улучшает стабильность квантового сигнала на больших расстояниях. Оба метода основаны на стандартных телекоммуникационных компонентах, предлагая реалистичный путь к безопасной передаче данных через существующие оптоволоконные сети.
В статье, опубликованной в Nature Communications, представлена платформа, которая значительно увеличивает плотность информации на фотон, а вторая техника сохраняет достоверность сигнала на сотнях километров оптоволокна — и всё это с использованием компонентов, уже развёрнутых в современных телекоммуникационных сетях.
Центральное нововведение заключается в так называемом «временном кодировании». В этом методе информация передаётся точным временем прибытия каждого фотона — по сути, в какое из нескольких крошечных временных окон он попадает. Традиционные системы различают только два таких временных интервала. Новая платформа, разработанная совместно исследователями из Института национальных научных исследований (INRS) в Канаде и Лейбниц-IPHT, увеличивает это число до восьми, что позволяет резко увеличить пропускную способность данных.
Профессор Марио Хемниц из Лейбниц-IPHT и Университета Фридриха Шиллера в Йене объясняет: «Это похоже на систему ящиков. Вместо того чтобы открывать один ящик, мы теперь можем открывать несколько одновременно — каждый несёт свою часть сообщения».
Платформа, описанная в Nature Communications, основана на специально разработанном фотонном чипе, изготовленном из нитрида кремния — идеального материала для направления света на микроуровне. Он объединяет миниатюрные интерферометры, способные генерировать и обрабатывать запутанные фотоны, используя при этом готовые телекоммуникационные компоненты.
В лабораторных испытаниях система успешно передала квантовую информацию на расстояние 60 километров по оптическому волокну — типичное расстояние между двумя узлами сети. Это означает, что больше пользователей могут совместно использовать защищённые квантовые каналы с высокой скоростью передачи данных по существующим оптоволоконным сетям.