Физики закрутили луч света в три концентрических спирали

Физикам удалось поместить три спиральных световых луча друг в друга, воспользовавшись квантовым эффектом Холла. Для этого они вытравили точечный кольцевой рисунок из полупроводника, а потом поместили его на магнитную подложку. Разработанный авторами метод в перспективе позволит превысить существующий порог передачи информации за счет создания нескольких независимых каналов в одном световом луче. Статья опубликована в Nature Physics.

Если поместить двумерный проводник с током в магнитное поле, перпендикулярное его плоскости, то возникнет электрическое поле, перпендикулярное и току, и изначальному магнитному полю. Из-за этого электроны или другие носители заряда начинают отклоняться от своей изначальной траектории в направлении, перпендикулярном ей — это эффект Холла. Сегодня ученые чаще прибегают к понятию квантового эффекта Холла: сопротивление возникающее при отклонении носителей заряда перпендикулярно изначальной траектории квантуется, то есть изменяется не непрерывно, а ступенчато. 

Более того, оказалось, что квантовый эффект Холла применим даже к фотонам. Если пропустить пучок света через сильное перпендикулярное магнитное поле, то фотоны начнут отклоняться, образуя волну с орбитальным угловым моментом, проще говоря — спирально-вращающуюся волну. А учитывая, что сопротивление Холла квантуется, то спираль будет иметь строго определенный диаметр.

Физики под руководством Бубакара Канте (Boubacar Kanté) из Университета Калифорнии в Сан-Диего смогли получить сразу три когерентных пучка света с орбитальным угловым моментом одновременно. Для этого они нанесли полупроводниковый материал из галлия, индия, фосфора и мышьяка на магнитную подложку. Сначала полупроводниковый слой обработали соляной кислотой, чтобы снять верхний слой, после чего на него поместили заглушки из силсесквиоксана — кремнийорагнического вещества, которое часто применяют в процессах ионной литографии. После этого часть поверхности, не закрытую заглушками, вытравили с помощью реактивной плазмы. Далее с полученного образца удалили заглушки плавиковой кислотой и нанесли его на магнитный слой из иттрий-железного граната. Предварительно на поверхность последнего нанесли защитный полимерный слой, после чего спекали в течение пяти часов при температуре 240 градусов Цельсия при высоком давлении.

Проходя через полученный образец, световой луч приобретает орбитальный момент, в результате чего образуется спираль определенного диаметра. При падении на поверхность, такой луч оставляет пятно кольцевой формы. Этот метод также позволяет получать несколько спиралей в одной. Авторам удалось получить три спирали с квантовыми числами 100, 156 и 276 соотвественно, которые выглядят как три концентрических окружности. Причем уже известные методы получения такой топологии светового пучка либо не позволяли получить достаточно большие квантовые числа (не больше трех), либо позволяли получать большие квантовые числа (до 100), но совмещать несколько спиралей в одной не удавалось. Авторы предполагают, что разработанный ими метод позволит передавать информацию более эффективно, за счет создания сразу нескольких каналов информации в одном световом пучке.

Область лазерной передачи данных сейчас очень активно развивается. Это поможет избежать прокладки интернет-кабелей и возможно увеличит скорость передачи информации. Есть даже проект по развертыванию сети станций интернет-связи в Африке с использованием лазерных технологий.

Егор Длин