Группа исследователей разработала новый метод использования холестерических жидких кристаллов в оптических микрополостях. Платформа, созданная учёными, позволяет формировать и динамически настраивать фотонные кристаллы с интегрированной спин-орбитальной связью (SOC) и управляемой лазерной эмиссией.
Результаты исследования опубликованы в журнале Laser & Photonics Reviews. Команда состоит из представителей факультета физики Варшавского университета, Военного технологического университета и Института Паскаля при Университете Клермон-Овернь.
Как это работает
Холестерическая структура — это спиральная структура, состоящая из слоёв почти параллельно ориентированных молекул, лежащих в одной плоскости. Из слоя в слой ориентация молекул мягко закручивается, что в целом создаёт спиральную структуру, напоминающую спирали ДНК или лапшу «пиггибэк». Направление, перпендикулярное слоям молекул, определяет ось спирали.
Когда такая структура наблюдается в направлении, перпендикулярном оси спирали, при соответствующем освещении можно заметить отдельные полосы шириной, равной шагу спирали. Использование жидких кристаллов, реагирующих на электрическое поле, позволяет точно контролировать этот шаг и, таким образом, структуру фотонных зон, открывая новые перспективы в фотонике.
Оптические микрополости
Оптические микрополости были изготовлены исследователями из Военного технологического университета в группе профессора Витора Пьеська, используя спиральные структуры, созданные профессором Евой Отон в полостях, изготовленных доктором Пшемыславом Моравяком и доктором Рафалом Мазуром.
Развитие подходящей жидкокристаллической смеси и условий, позволяющих сформировать хорошо упорядоченную однородную спираль на большой площади оптической полости, является сложной задачей в материаловедении и технологии жидких кристаллов.
Применение
Эти результаты открывают возможности для применения в топологической фотонике и современных лазерных технологиях. Исследователи показывают новые возможности для объединения эффектов SOC с периодическими фотонными структурами и указывают направления для дальнейших исследований таких явлений, как топологические фазовые переходы, модель Су-Шриффера-Хигера или неабелевы поля признаков.
Исследователи из Института фотонных технологий Лейбница (Leibniz IPHT) в Йене, Германия, совместно с международными коллегами разработали два дополнительных метода, которые могут сделать квантовую связь через оптоволокно практичной за пределами лаборатории.
Один подход значительно увеличивает объём информации, который может быть закодирован в одиночном 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.
Вместо передачи электрических сигналов эта технология использует отдельные частицы света — фотоны, закодированные в тонких квантовых состояниях. Одно из её ключевых преимуществ: любая попытка перехватить или подделать сигнал нарушает квантовое состояние, делая подслушивание не только обнаруживаемым, но и принципиально ограниченным.
Но вывод квантовой связи из лаборатории в реальный мир всё ещё представляет серьёзные технические проблемы. Команда исследователей из Германии и Канады решила две важнейшие задачи: как каждый фотон может нести больше информации? И как сигналы могут оставаться стабильными на больших расстояниях, несмотря на искажения, вносимые оптоволоконной передачей?
Их ответы представлены в двух недавних исследованиях, опубликованных в Nature Communications и Physical Review Letters. Команда демонстрирует новую фотонную платформу, которая значительно увеличивает плотность информации на фотон, и второй метод, сохраняющий точность сигнала на сотнях километров оптоволокна — оба используют компоненты, уже развёрнутые в сегодняшних 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 окна. Новая платформа, разработанная совместно исследователями из Института национальных исследований и разработок (INRS) в Канаде и Лейбниц-IPHT, увеличивает это число до восьми, что позволяет резко увеличить пропускную способность данных.
Платформа, описанная в Nature Communications, основана на специально разработанном фотонном чипе, изготовленном из нитрида кремния — идеального материала для направления света в микромасштабе. Он объединяет миниатюрные интерферометры, способные генерировать и обрабатывать запутанные фотоны, используя при этом готовые телекоммуникационные компоненты.
В лабораторных тестах 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.