多重化光アンテナ
研究者たちは、光の波の特性を利用して、運ぶデータの量を大幅に増やす方法を発見しました。彼らは、人間の髪の毛の直径にほぼ等しい同心リングで構成されたアンテナからの個別のねじれレーザービームの放出を実証しました。これは、コンピューターチップに配置するのに十分小さいものです。
この作業により、コヒーレント光源によって多重化または同時に送信できる情報の量が大幅に増加します。多重化の一般的な例は、1本のワイヤーを介した複数の電話の送信ですが、直接多重化できるコヒーレントなねじれた光波の数には基本的な制限がありました。
この技術は、軌道角運動量と呼ばれる光の特性を通じて、現在のデータ容量の制限を克服します。生物学的イメージング、大容量通信、センサーに応用できます。
電磁波を介して信号を送信する現在の方法は限界に達しつつあります。たとえば、周波数が飽和状態になっているため、ラジオで視聴できる放送局は非常に多くなっています。光波が水平または垂直の2つの値に分離される偏光は、送信される情報の量を2倍にすることができます。映画製作者は、3D映画を作成するときにこれを利用して、特殊な眼鏡をかけた視聴者が2セットの信号（各目に1つずつ）を受信して、立体効果と奥行きの錯覚を作り出すことができます。
周波数と偏光を超えて、軌道角運動量（OAM）があります。これは、データ送信の容量が飛躍的に大きくなるため、科学者から注目を集めている光の特性です。 OAMについて考える1つの方法は、竜巻の渦と比較することです。無限の自由度を持つ光の渦は、原則として、無制限の量のデータをサポートできます。課題は、無限の数のOAMビームを確実に生成する方法を見つけることでした。
研究者たちは、電磁気学の最も重要なコンポーネントの1つであり、現在進行中の5Gおよび今後の6Gテクノロジーの中心となるアンテナから始めました。この研究のアンテナはトポロジー的であり、デバイスがねじれたり曲がったりしても、その本質的な特性は保持されます。
トポロジカルアンテナを作成するために、研究者は電子ビームリソグラフィーを使用してグリッドパターンをインジウムガリウムヒ素リン（半導体材料）にエッチングし、構造をイットリウム鉄ガーネットでできた表面に接着しました。彼らは、光子をトラップするために、3つの同心円（最大直径約50ミクロン）のパターンで量子井戸を形成するようにグリッドを設計しました。この設計は、磁場が印加されたときの光子の動きを表すフォトニック量子ホール効果と呼ばれる現象をサポートする条件を作成し、光をリング内で一方向にのみ移動させます。
二次元の微細構造に垂直な磁場を適用することにより、研究者たちは、表面上の円軌道を移動する3つのOAMレーザービームを生成することに成功しました。この研究はさらに、レーザービームの量子数が276と大きいことを示しました。これは、光が1つの波長でその軸の周りをねじる回数を示しています。
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