Еще недавно управлять светом считалось задачей из области фантастики. Да, человечество научилось создавать лазеры, передавать сигналы по оптоволокну и использовать свет в хирургии. Однако идея закрученных световых лучей долго оставалась в сфере дорогих и сложных технологий. Лишь немногие лаборатории могли себе позволить эксперименты, требующие громоздкого оборудования и дорогостоящих материалов.
Но сегодня ситуация меняется. Австралийские ученые продемонстрировали, что формировать оптические вихри можно иначе — с помощью простых и доступных сверхтонких материалов Ван-дер-Ваальса. Это открытие обещает изменить будущее оптической техники, связи и даже квантовых технологий.
Как работает закручивание света
Чтобы понять масштаб открытия, стоит разобраться в физике явления. Обычный луч света движется прямолинейно, и его фотоны колеблются в разных направлениях. Но если придать свету круговую поляризацию, фотоны начинают вращаться в одном направлении. Когда такой свет проходит через особый материал, его структура меняется.
Внутри сверхтонкого кристалла фотоны меняют свое вращение, и луч приобретает спиральную закрутку. Возникает так называемый оптический вихрь. Ученые описывают его как луч в форме «пончика»: в центре — темная область, а вокруг — закрученные световые потоки.
Почему это происходит? Материалы Ван-дер-Ваальса обладают двойным лучепреломлением. Это значит, что они замедляют свет по-разному в зависимости от направления, под которым он проходит сквозь кристалл. В результате части луча как бы «расходятся» и искажаются. Эффект напоминает кривое зеркало, которое растягивает и скручивает отражение.
Материалы Ван-дер-Ваальса: кристаллы будущего
Основная «магия» нового подхода скрыта в материалах. Они состоят из сверхтонких слоев, которые соединены между собой силами Ван-дер-Ваальса. Эти силы достаточно прочные, чтобы удерживать структуру, но в то же время позволяют слоям легко перестраиваться.
В экспериментах австралийские ученые использовали два вещества:
- гексагональный нитрид бора (hBN) — образцы толщиной всего 8 мкм;
- дисульфид молибдена (MoS₂) — толщина всего 320 нм.
Несмотря на крошечные размеры, оба материала успешно генерировали закрученные лучи. Более того, почти половина света после прохождения через кристаллы превращалась в оптические вихри. Для физики это огромный показатель эффективности.
Компьютерные модели показали: результат можно улучшить. Если менять форму луча еще до его входа в кристалл, эффективность генерации вихрей возрастает. Значит, впереди — новые эксперименты и более совершенные технологии.
Долгий путь к управляемому свету
Впервые о закрученных световых лучах заговорили еще в конце XX века. Тогда физики заметили, что у света, помимо частоты и направления, может быть еще одно свойство — орбитальный угловой момент. Простыми словами, это вращение фотонов вокруг оси движения.
С тех пор закрученные лучи стали объектом многочисленных исследований. Они открывали новые возможности для передачи информации, поскольку в каждом спиральном витке можно закодировать отдельный «канал» данных. Однако на практике требовались громоздкие линзы, фазовые решетки и дорогое оборудование. Поэтому внедрение в реальную технику тормозилось.
И вот теперь оказалось, что достаточно нанометровых слоев кристаллов, чтобы получить тот же эффект.
Новые горизонты оптики
Закрученные лучи — это не просто красивая физика. У них есть ряд прикладных преимуществ.
Во-первых, спиральная структура луча позволяет кодировать гораздо больше информации, чем в обычном свете. Представьте, что в одном и том же канале можно передавать десятки потоков данных одновременно, просто используя разные углы закрутки. Это открывает дорогу к сверхбыстрому интернету и квантовой связи.
Во-вторых, оптические вихри обладают высокой устойчивостью к помехам. Если обычный сигнал может «исказиться» при прохождении через атмосферу или оптоволокно, то закрученный луч лучше сохраняет структуру. Это важно для спутниковой и защищенной связи.
В-третьих, технология обещает стать дешевой и компактной. Тонкие материалы Ван-дер-Ваальса можно встраивать в чипы и интегрировать в существующие системы.
От интернета до квантовой криптографии
Чтобы лучше представить перспективы, рассмотрим конкретные сферы:
- Интернет нового поколения. Оптические вихри дают дополнительное измерение для передачи информации. Это значит, что скорость передачи может возрасти в десятки раз.
- Спутниковая связь. Атмосфера часто мешает сигналам, но закрученные лучи меньше подвержены искажениям. Это особенно актуально для глобальных сетей вроде Starlink.
- Защищенная связь. В квантовой криптографии оптические вихри помогут создать каналы, которые невозможно перехватить без разрушения сигнала.
- Микроэлектроника и сенсоры. Встраивание кристаллов в чипы позволит создать новые виды датчиков, например, для медицины или робототехники.
Почему именно сейчас
Можно спросить: почему же именно сегодня открытие стало возможным? Ответ кроется в нескольких факторах.
Во-первых, прогресс в области наноматериалов. За последние годы ученые научились выращивать и обрабатывать сверхтонкие слои с точностью до атома.
Во-вторых, развитие вычислительных технологий. Компьютерное моделирование теперь позволяет заранее рассчитать свойства материалов и спроектировать эксперимент.
В-третьих, спрос со стороны индустрии. Растущие потребности в передаче данных подталкивают исследователей искать новые подходы.
Скепсис и вызовы
Несмотря на впечатляющие результаты, говорить о мгновенной революции рано. Есть несколько вызовов.
Первый — стабильность материалов. Сверхтонкие кристаллы хрупки, и их внедрение в массовые устройства потребует надежных технологий защиты.
Второй — эффективность. Пока речь идет о преобразовании лишь части света в вихри. Для промышленного применения нужна почти стопроцентная отдача.
Третий — стандарты связи. Чтобы закрученные лучи вошли в интернет или спутниковые каналы, потребуется перестройка всей системы передачи и приема сигналов.
Однако такие трудности сопровождают любое новое направление науки.
Что будет через 10 лет
Эксперты считают, что в течение ближайшего десятилетия мы увидим первые коммерческие применения. Сначала — в специализированных областях, где нужна сверхнадежная связь: военные технологии, космос, банковский сектор. Затем — в массовых сетях передачи данных.
Через 15–20 лет возможно появление бытовых устройств, использующих оптические вихри. Например, роутеров нового поколения или смартфонов с встроенными «световыми модуляторами».
Если эти прогнозы сбудутся, человечество получит совершенно новый уровень коммуникаций.
Историческая аналогия: как когда-то было с лазерами
Чтобы понять масштаб перемен, можно вспомнить историю лазеров. Когда их впервые создали в середине XX века, многие считали их бесполезной игрушкой для физиков. Но уже через несколько десятилетий лазеры стали основой CD-плееров, медицинских операций и систем связи.
С закрученным светом ситуация похожая. Сегодня это кажется экзотикой, а завтра может стать нормой.
Свет как новый язык информации
Итак, австралийские ученые доказали: оптические вихри можно создавать не только дорогими методами, но и с помощью тончайших слоев кристаллов Ван-дер-Ваальса. Это открытие переводит «фантастику» в сферу практических технологий.
Путь вперед еще долог. Но ясно одно: свет становится новым языком информации. И, возможно, именно закрученные лучи откроют эру сверхбыстрого интернета и неприступной связи.
Этот материал подготовлен без спонсоров и рекламы. Если считаете его важным — вы можете поддержать работу редакции.
Ваша поддержка — это свобода новых публикаций. ➤ Поддержать автора и редакцию