想象一下河流中旋轉(zhuǎn)的漩渦，或是天空中旋轉(zhuǎn)的龍卷風(fēng)。它們并非原地旋轉(zhuǎn)，而是在前進(jìn)過程中保持著內(nèi)部的螺旋運動。這種被稱為渦旋的扭曲運動是一種強大而有序的螺旋。現(xiàn)在想象一下具有相同行為的光：一束在前進(jìn)過程中旋轉(zhuǎn)的光。這種"扭曲"的光被稱為光學(xué)渦旋，它比普通光能承載更多信息，為更快的互聯(lián)網(wǎng)和超安全通信打開了大門。

通過將光束穿過能迫使光開始扭曲的特殊材料，可以產(chǎn)生光學(xué)渦旋。目前的光學(xué)渦旋發(fā)生器依賴昂貴復(fù)雜的制造技術(shù)或笨重的水晶。但我們的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種使用廉價超薄材料產(chǎn)生這種扭曲光的新方法。

這種被稱為范德華材料的物質(zhì)由通過范德華力相互粘附的層組成——這種分子間作用力讓蜘蛛能在天花板上爬行而不掉落。這種力足以將各層保持在一起，但又足夠弱，可以輕松分離和重新配置。

發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》上的這種方法無需納米制造。相反，我們利用這些范德華材料的天然光學(xué)特性，在光通過時改變其形狀。這種方法在比人類頭發(fā)還薄的尺度上就能起作用。

圖片:搜狗截圖20250820123428.png

使用范德華晶體的光學(xué)渦流生成示意圖和使用六方氮化硼晶體的模擬

我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓偏振光（所有光子都朝相同方向旋轉(zhuǎn)的一種光）進(jìn)入這些薄范德華晶體時，其旋轉(zhuǎn)方向會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并獲得螺旋扭曲，從而變成光學(xué)渦旋。

這種扭曲之所以發(fā)生，是因為范德華材料會以不同方式減慢光速，具體取決于光的進(jìn)入方式，這種特性被稱為雙折射。可以將其想象成光進(jìn)入哈哈鏡：光束的不同部分以不同方式彎曲或拉伸，結(jié)果形成扭曲的環(huán)狀光束。

我們使用兩種常見的范德華材料演示了這一點：六方氮化硼（hBN）和二硫化鉬（MoS₂）。我們用激光束照射每種材料，并測量光的扭曲程度。即使樣品僅厚8微米（hBN）或320納米（MoS₂），我們也能產(chǎn)生清晰的光學(xué)渦旋光束。

圖片:搜狗截圖20250820123226.png

使用hBN晶體產(chǎn)生光學(xué)渦旋的演示

這很重要，因為它表明這種方法在極小尺度上也能起作用。而且效率很高，能將幾乎一半的入射光轉(zhuǎn)換為扭曲光束。我們還運行了計算機模擬，表明通過在光進(jìn)入材料前改變光束形狀，可以進(jìn)一步提高效率。

那么這在實驗室之外有何意義呢？這種扭曲光束可能是高速通信的未來。由于其螺旋結(jié)構(gòu)，光學(xué)渦旋為編碼信息提供了額外維度。可以將其視為在數(shù)據(jù)高速公路上修建額外車道，從而同時傳輸更多信息。

我們的方法為制造更小、更便宜、更可擴展的光學(xué)設(shè)備打開了大門，這些設(shè)備可以集成到未來的通信系統(tǒng)（包括衛(wèi)星）中。為了將這項技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)實世界，我們正在努力提高轉(zhuǎn)換效率，使系統(tǒng)與現(xiàn)有通信技術(shù)兼容，并探索如何將其集成到更大的光學(xué)系統(tǒng)中。

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41377-025-01926-7