超薄材料将光扭曲成光学涡旋，加快数据传输速度！

想象一下河流中旋转的漩涡，或是天空中旋转的龙卷风。它们并非原地旋转，而是在前进过程中保持着内部的螺旋运动。这种被称为涡旋的扭曲运动是一种强大而有序的螺旋。现在想象一下具有相同行为的光：一束在前进过程中旋转的光。这种"扭曲"的光被称为光学涡旋，它比普通光能承载更多信息，为更快的互联网和超安全通信打开了大门。

通过将光束穿过能迫使光开始扭曲的特殊材料，可以产生光学涡旋。目前的光学涡旋发生器依赖昂贵复杂的制造技术或笨重的水晶。但我们的团队发现了一种使用廉价超薄材料产生这种扭曲光的新方法。

这种被称为范德华材料的物质由通过范德华力相互粘附的层组成——这种分子间作用力让蜘蛛能在天花板上爬行而不掉落。这种力足以将各层保持在一起，但又足够弱，可以轻松分离和重新配置。

发表在《光：科学与应用》上的这种方法无需纳米制造。相反，我们利用这些范德华材料的天然光学特性，在光通过时改变其形状。这种方法在比人类头发还薄的尺度上就能起作用。

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使用范德华晶体的光学涡流生成示意图和使用六方氮化硼晶体的模拟

我们发现，当圆偏振光（所有光子都朝相同方向旋转的一种光）进入这些薄范德华晶体时，其旋转方向会发生翻转，并获得螺旋扭曲，从而变成光学涡旋。

这种扭曲之所以发生，是因为范德华材料会以不同方式减慢光速，具体取决于光的进入方式，这种特性被称为双折射。可以将其想象成光进入哈哈镜：光束的不同部分以不同方式弯曲或拉伸，结果形成扭曲的环状光束。

我们使用两种常见的范德华材料演示了这一点：六方氮化硼（hBN）和二硫化钼（MoS₂）。我们用激光束照射每种材料，并测量光的扭曲程度。即使样品仅厚8微米（hBN）或320纳米（MoS₂），我们也能产生清晰的光学涡旋光束。

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使用hBN晶体产生光学涡旋的演示

这很重要，因为它表明这种方法在极小尺度上也能起作用。而且效率很高，能将几乎一半的入射光转换为扭曲光束。我们还运行了计算机模拟，表明通过在光进入材料前改变光束形状，可以进一步提高效率。

那么这在实验室之外有何意义呢？这种扭曲光束可能是高速通信的未来。由于其螺旋结构，光学涡旋为编码信息提供了额外维度。可以将其视为在数据高速公路上修建额外车道，从而同时传输更多信息。

我们的方法为制造更小、更便宜、更可扩展的光学设备打开了大门，这些设备可以集成到未来的通信系统（包括卫星）中。为了将这项技术应用到现实世界，我们正在努力提高转换效率，使系统与现有通信技术兼容，并探索如何将其集成到更大的光学系统中。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41377-025-01926-7