冰箱能自动处理您的杂货采购，并提醒您过期的食物，这一概念似乎让人对不远的未来充满期待。然而，物联网（IoT）不那么迷人的一面在于它将产生大量数据，需要在不同点之间进行存储和传输。每个云服务器，无论多么遥远，都实际存在于某个地方，数据必须从该地点传输到其他区域，甚至服务器本身内部。这种数据传输有可能成为影响数据处理效率的一大障碍。
　　同样，人工智能正日益成为一种日常功能，但它也需要大量的数据传输。区块链、媒体消费增长和虚拟现实等技术都将加剧错误信息和通知的上升趋势，敦促我们提高存储容量和数据通信带宽。
　　自旋电子学是一个探索电子自旋特性的领域，通过提供能更高效地存储数据的新型存储设备，它有可能彻底改变数据存储和传输。同样，与传统技术相比，光子学可以利用光子的偏振（类似于电子的自旋）在光子上编码信息，但前提是你能控制它。
　　物理学家开创了一种在超表面上设计电磁自旋的方法，以满足日益数字化的世界对数据存储和传输的需求。这项创新可能导致未来的数据系统使用二进制光子自旋来高效地编码和处理信息。
　　在发表于《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）上的研究报告中，来自澳大利亚国立大学的开创性光学技术研究中心（TMOS）ARC卓越中心（ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems）的物理学家，包括来自纽约市立大学、澳大利亚国立大学和空军研究实验室的副研究员开发出了一种设计元表面的新方法。这种方法可以通过在创新的类狄拉克波导中产生一种新型光子模式来设计电磁自旋。这推进了之前利用拓扑界面进行信号传输的低损耗信息传输研究。
　　传统上，拓扑波导的各个界面之间都有突兀的边缘。这些边缘会产生边界模式——电磁波在存在边缘的地方与在整个材料中的表现不同。这些边界模式可以在许多方面得到有效利用，但它们只有一个自旋方向，缺乏辐射控制。
　　首 席 研 究 员Alexander B. Khanikaev教授和他的团队采用了一种新的方法来处理元表面界面。他们没有采用硬边缘，而是以图案化的方式逐渐移入元表面板坯，从而使边界变得平滑。在这种情况下，他们对设计进行了微小的改动，而不是将不连续的形状对接在一起，形成了一种重复六边形的孔洞模式，从而使形状逐渐连接在一起。这在元表面中产生了前所未有的全新电磁波模式，其辐射特性令人振奋。在一个频率上，两种不同自旋的模式可以共存，其中一种的辐射比另一种大。通过使用圆偏振激光照射元表面，Kiriushechkina等人能够捕捉到特定模式的自旋。在实验室中，每种模式被激发时的传播长度都不同，从而证明了这一点。
　　这种方法很快就能实现对两种模式自旋的独立控制。这将创造出一种二元自由度，为自旋光子学领域以及利用二元光子自旋编码和处理信息的数据存储系统的最终开发带来重大机遇。
　　共同第一作者达莉亚·斯米尔诺娃博士说：“概念验证实验最终验证了我们的理论发现和建模。奇怪的是，这种效应可以通过将狄拉克形式主义与方便电动力学相结合来解释，以描述所设计的模式的辐射性质。”
　　Khanikaev说：“在芯片上设计二进制自旋光结构的可能性，以及按需操纵它的可能性，为在其中编码信息，特别是量子信息，提供了真正令人兴奋的机会。我们的团队与来自TMOS和空军研究实验室的同事合作，目前正致力于创建基于这种光子自旋的量子互连，以及硅光子芯片上的基本量子逻辑运算。因此，我们相信，从长远来看，集成的狄拉克光子系统可以成为集成量子光子学的可行平台。”
　　TMOS中心主任Dragomir Neshev说：“这种跨机构的团队合作极大地推动了元光学领域的发展。这是一项非凡的成就，也是卓越中心存在意义的最好例证。卓越中心促进了知识和专业技术的共享，而这种共享往往受到研究人员自身网络的限制。我很期待看到这些合作者的下一步成果。” （逸文）