在现代生活中，高效编码信息进行传输至关重要。一种常见的方法是将数据编码到激光光中，并通过光纤电缆发送。随着对数据容量需求的增长，寻找更先进的编码方法变得必不可少。现在，阿尔托大学的研究人员发现了一种通过创造光涡旋（light vortices）来编码更多数据的方法，这可能会将光纤的数据传输速率提高多达16倍，标志着电信技术的重大进步。
阿尔托大学应用物理系的研究人员开发了一种新的创造微小“光的飓风”的方法，这些飓风可以携带信息。这项技术操纵金属纳米颗粒与电场相互作用。该设计基于准晶体几何结构，由博士研究员Kristian Arjas构思，并由博士研究员Jani Taskinen实验实现，他们都是Päivi Törmä教授量子动力学小组的成员。
这项突破在物理学上具有重要意义，并为数据传输的创新方法提供了希望。在这个情况下，涡旋就像光束中的飓风，其中心平静而黑暗，周围是明亮的光环。就像飓风的中心因为周围的风向不同而保持平静一样，涡旋的中心因为光束不同侧面的电场指向不同方向而保持黑暗。
以前的物理研究将可以出现的涡旋类型与产生它们的结构的对称性联系起来。例如，如果纳米尺度的粒子以正方形排列，产生的光就有一个单一的涡旋；六边形产生双涡旋，等等。更复杂的涡旋至少需要八边形。
现在，Arjas、Taskinen和团队解锁了一种创造理论上支持任何类型涡旋的几何形状的方法。“这项研究是关于涡旋的对称性和旋转性之间的关系，即我们可以用什么样的对称性产生什么样的涡旋。我们的准晶体设计介于秩序和混沌之间，”Törmä说。
在他们的研究中，该团队操纵了大约100,000个金属纳米颗粒，每个颗粒的大小大约是人类头发丝的百分之一，以创造他们独特的设计。关键在于找到粒子与所需电场相互作用最少的地方，而不是最多。“电场有高振动的热点和基本上是死的点。我们把粒子引入死点，这关闭了其他一切，允许我们选择对应用最有趣的电场，”Taskinen说。
这一发现为光的拓扑研究这一非常活跃的领域开辟了未来研究的广阔天地。它也代表了在需要用光发送编码信息的领域中传输信息的强大方式的早期步骤，包括电信。“例如，我们可以把这些涡旋通过光纤电缆发送并在目的地解包。这将使我们能够在更小的空间存储信息，并一次性传输更多的信息。一个乐观的猜测是，我们可以传输的信息量是目前通过光纤传输的8到16倍，”Arjas说。
团队的设计的实际应用和可扩展性可能需要多年的工程努力。然而，阿尔托的量子动力学小组已经忙于研究超导性和改进有机LED。该小组在他们开创性的研究中使用了OtaNano研究基础设施，用于纳米、微米和量子技术。
参考资料：DOI: 10.1038/s41467-024-53952-5