先进光控制技术为下一代无线通信铺平道路

美国 - 艾赫巴里通讯社

先进光控制技术为下一代无线通信铺平道路

在一项有望彻底改变未来无线技术的突破性进展中，研究人员公布了一种新型光学设备，能够精确生成和操纵被称为“斯格明子”的稳定甜甜圈形光模式。这种控制光基本特性的创新方法可以解锁前所未有的数据传输能力，解决现代通信系统，特别是在蓬勃发展的太赫兹频率范围内的一些最紧迫的挑战。

这项科学突破的核心在于光斯格明子的创造——复杂、旋转的光涡旋，具有卓越的稳定性。与传统光束不同，这些独特的模式即使受到外部干扰也能保持其结构完整性，这一特性使其成为稳健可靠的无线数据传输的极具前景的候选者。这种固有的弹性对于信号完整性至关重要的应用至关重要，例如高速数据链路和安全通信通道。

这项研究背后的科学家们巧妙地设计了一种专门的超表面——一种具有亚波长结构的超薄工程材料——作为生成这些奇异光形式的平台。通过将受控激光脉冲精确地引导到这个超表面上，他们可以诱导斯格明子的形成，并且关键的是，在这些光模式的不同电模式和磁模式之间进行切换。这种在光斯格明子的不同电磁配置之间切换的能力代表了光学控制方面的一个重大飞跃，为信息的编码和传输提供了新的维度。

斯格明子的概念最初在磁性材料中作为稳定的、旋转的自旋纹理被观察到，现在已成功地转化到光学领域。在磁性斯格明子中，其拓扑稳定性使其对高密度数据存储具有吸引力。类似地，光学斯格明子利用这种拓扑鲁棒性，允许光以更安全、更抗干扰的方式携带信息。这些光模式的甜甜圈形状，以中心零点和周围强度为特征，不仅是美学上的，而且对其独特的拓扑特性和稳定性至关重要。

这项研究最令人兴奋的含义之一是其对太赫兹（THz）通信系统的潜在影响。太赫兹频谱，通常被称为“太赫兹间隙”，占据了微波和红外光之间的区域。它提供了巨大的、尚未开发的带宽，有望实现远超当前5G网络的数据传输速度。然而，由于太赫兹波会经历高大气吸收和散射，导致信号衰减和范围有限，因此开发可靠的太赫兹通信一直具有挑战性。

光斯格明子的稳定性和可切换模式可以为这些固有的挑战提供强大的解决方案。通过将数据编码到这些弹性光模式中，未来的太赫兹系统可以显着提高对环境干扰和信号损失的抵抗力。这可以为超高速、高容量的无线网络铺平道路，这些网络能够支持实时全息通信、高级传感和超安全军事通信等要求苛刻的应用。想象一下在几毫秒内下载一部完整的电影，或者以前所未有的清晰度实现高精度医疗成像——这些都是这项技术可能促进的进步。

此外，在如此基础的水平上控制光的能力为超越通信的进步打开了大门。这种对光-物质相互作用和拓扑保护光态生成的新理解可能会影响量子计算、高级传感甚至能量收集等领域。超表面在纳米尺度上操纵光的精确性为工程师和物理学家提供了一个多功能工具包，用于设计具有定制功能的光学组件，超越了传统体光学元件的局限性。

研究团队强调，虽然这是一个基础性步骤，但基于斯格明子的无线通信的实际实施将需要进一步发展。光学设备的微型化、与现有电子系统的集成以及在这些光模式中高效编码和解码信息的方法是接下来的前沿领域。然而，生成和控制光学斯格明子的概念验证，加上其固有的稳定性，标志着一个关键时刻。它预示着未来我们的无线连接不仅更快，而且显著更可靠和安全，从根本上改变了我们与数字世界的互动方式。

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