Спиновая фотоника — это перспективное направление, где свойства фотонов, связанные с их спином и поляризацией, используют для передачи и обработки информации. Особую роль здесь играют метаповерхности, способные разделять световые волны с разными спинами. Однако до сих пор такие устройства работали лишь в узком диапазоне частот, потому что не удавалось независимо управлять дисперсией для противоположных спинов.

Метаповерхность — это ультратонкая структура из наноразмерных элементов (метаатомов), которая управляет светом не за счет преломления, как обычные линзы, а за счет резонансов и интерференции. Она может делать то, что невозможно в природе — например, создавать «невидимость» или фокусировать свет без искажений.

Группа ученых из Китайской академии наук предложила решение: метаповерхность со сложенной траекторией света. В ней за счет интерференции на субволновом уровне можно независимо управлять фазой и дисперсией для двух разных спиновых состояний. Это открывает путь к созданию широкополосных устройств, которые раньше были невозможны.

Результату опубликованы в издании Light Science & Applications.

Что удалось сделать:

• Впервые контролировать дисперсию и фазу для противоположных спинов одновременно.
• Создать широкополосный ахроматический эффект спинового Холла для фотонов.
• Получить ахроматические линзы без изменения геометрии наноструктур.
• Генерировать сложные световые поля с помощью одной метаповерхности.

Наш подход меняет парадигму: вместо подстройки геометрии структур мы управляем светом через сложенные траектории, — поясняют ученые.

Эта технология может привести к компактным устройствам для обработки света, кодирования информации и управления световыми полями.

Практическая ценность работы — в упрощении и удешевлении оптических устройств. Например:

• Телекоммуникации — более эффективная передача данных за счет спинового мультиплексирования.
• Микроскопия и лидары — ахроматические линзы улучшат разрешение без искажений.
• Квантовые технологии — точное управление спинами фотонов критично для квантовой связи.

Пока это лабораторные результаты, но если технологию удастся масштабировать, она может заменить громоздкие системы на компактные чипы.

Главный вопрос — насколько метод масштабируем. Сложная наноструктура требует прецизионного изготовления, а значит, дорогих процессов вроде электронно-лучевой литографии. Кроме того, работа пока демонстрируется в ограниченном диапазоне длин волн — для реальных применений нужно расширение.

Ранее ученые напомнили о квантовых компьютерах на основе кремниевых спиновых кубитов.