Меню
Публикации
2025
2024
2023
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
Главный редактор
НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
Партнеры
doi: 10.17586/2226-1494-2025-25-5-807-816
УДК 535.131
Оптические спиновые токи в хиральных оптоволокнах
Читать статью полностью
Язык статьи - английский
Ссылка для цитирования:
Аннотация
Ссылка для цитирования:
Дерий И.А., Корнован Д.Ф., Петров М.И., Богданов А.А. Оптическиеспиновыетоки в хиральных оптоволокнах // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2025. Т. 25, № 5. С. 807–816 (на англ. яз.). doi: 10.17586/2226-1494-2025-25-5-807-816
Аннотация
Представлено исследование оптических хиральных цилиндрических волноводов с точки зрения их применения в оптической спинтронике. Предложено использование хирального оптического цилиндрического волновода в роли оптического спинового диода. Рассчитана модовая структура рассматриваемого волновода и численно решено дисперсионное уравнение для фундаментальных мод волновода с азимутальным числом m = ±1 для различных значений параметра хиральности материала волновода. Получены выражения для потока энергии и оптического спинового тока внутри волновода. Показано, что в одномодовом режиме работы волновода, направление протекания оптических спиновых токов в волноводе определяется исключительно знаком параметра хиральности материала волновода, вне зависимости от азимутального числа и направления распространения моды. Следовательно, суперпозиция m = 1 и m = –1 мод, распространяющихся в разных направлениях, будет иметь нулевой поток энергии, но ненулевой оптический спиновой ток. Полученные результаты расширяют элементную базу оптической спинтроники и открывают новые пути для создания энергоэффективных оптических вычислительных систем.
Ключевые слова: оптический спин, оптическая спинтроника, хиральность, оптические методы переноса информации, оптические волноводы, оптоволокно
Благодарности. Исследования поддержаны Российским научным фондом (проект 23-72-10059). Илья Дерий выражает благодарность Фонду развития теоретической физики и математики «БАЗИС» за неоценимую поддержку.
Список литературы
Благодарности. Исследования поддержаны Российским научным фондом (проект 23-72-10059). Илья Дерий выражает благодарность Фонду развития теоретической физики и математики «БАЗИС» за неоценимую поддержку.
Список литературы
1. Li Y., Monticone F. Exploring the role of metamaterials in achieving advantage in optical computing // Nature Computational Science. 2024. V. 4. N 8. P. 545–548. https://doi.org/10.1038/s43588-024-00657-w
2. McMahon P.L. The physics of optical computing // Nature Reviews Physics. 2023. V. 5. N 12. P. 717–734. https://doi.org/10.1038/s42254-023-00645-5
3. Chanana A., Larocque H., Moreira R., Carolan J., Guha B., Melo E.G., et al. Ultra-low loss quantum photonic circuits integrated with single quantum emitters // Nature Communications. 2022. V. 13. N 1. P. 7693. https://doi.org/10.1038/s41467-022-35332-z
4. Dong T., Liang J.J., Camayd-Muñoz S., Liu Y., Tang H., Kita S., et al. Ultra-low-loss on-chip zero-index materials // Light: Science & Applications. 2021. V. 10. N 1. P. 10. https://doi.org/10.1038/s41377-020-00436-y
5. Blundell S., Radford T.W., Ajia I.A., Lawson D., Yan X.Z., Banakar M., et al. Ultracompact programmable silicon photonics using layers of low-loss phase-change material Sb2Se3 of increasing thickness // ACS Photonics. 2025. V. 12. N 3. P. 1382–1391. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c01789
6. Bader S.D., Parkin S.S.P. Spintronics // Annual Review of Condensed Matter Physics. 2010. V. 1. P. 71–88. https://doi.org/10.1146/annurev-conmatphys-070909-104123
7. Pulizzi F. Spintronics // Nature Materials. 2012. V. 11. N 5. P. 367. https://doi.org/10.1038/nmat3327
8. Žutić I., Fabian J., Sarma S.D. Spintronics: Fundamentals and applications // Reviews of Modern Physics. 2004. V. 76. N 2. P. 323–410. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.76.323
9. Qin J., Sun B., Zhou G., Guo T., Chen Y., Ke C., et al. From spintronic memristors to quantum computing // ACS Materials Letters. 2023. V. 5. N 8. P. 2197–2215. https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c00088
10. Yang H., Valenzuela S.O., Chshiev M., Couet S., Dieny B., Dlubak B., et al. Two-dimensional materials prospects for non-volatile spintronic memories // Nature. 2022. V. 606. N 7915. P. 663–673. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04768-0
11. Bliokh K.Y., Bekshaev A.Y., Nori F. Dual electromagnetism: helicity, spin, momentum and angular momentum // New Journal of Physics. 2013. V. 15. P. 033026. https://doi.org/10.1088/1367-2630/15/3/033026
12. Bliokh K.Y., Rodríguez-Fortuño F.J., Nori F., Zayats A.V. Spin–orbit interactions of light // Nature Photonics. 2015. V. 9. N 12. P. 796–808. https://doi.org/10.1038/nphoton.2015.201
13. Bliokh K.Y., Nori F. Transverse and longitudinal angular momenta of light // Physics Reports. 2015. V. 592. P. 1–38. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2015.06.003
14. Marrucci L., Manzo C., Paparo D. Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous anisotropic media // Physical Review Letters. 2006. V. 96. N 16. P. 163905. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.163905
15. Erhard M., Fickler R., Krenn M., Zeilinger A. Twisted photons: new quantum perspectives in high dimensions // Light: Science & Applications. 2018. V. 7. P. 17146. https://doi.org/10.1038/lsa.2017.146
16. Nagali E., Giovannini D., Marrucci L., Slussarenko S., Santamato E., Sciarrino F. Experimental optimal cloning of four-dimensional quantum states of photons // Physical Review Letters. 2010. V. 105. N 7. P. 073602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.073602
17. Deriy I., Kornovan D., Petrov M., Bogdanov A. Optical spintronics: towards optical communication without energy transfer // arXiv. 2025. arXiv:2505.10489. https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.10489
18. Wu X., Tong L. Optical microfibers and nanofibers // Nanophotonics. 2013. V. 2. N 5-6. P. 407–428. https://doi.org/10.1515/nanoph-2013-0033
19. Nayak K.P., Kien F.L., Nakajima K., Miyazaki H.T., Sugimoto Y., Hakuta K. Nano-structured optical nanofibers for cavity-QED // Proc. of the Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO). 2011. P. QFC2. https://doi.org/10.1364/qels.2011.qfc2
20. Le Kien F., Rauschenbeutel A. Nanofiber-based all-optical switches // Physical Review A. 2016. V. 93. N 1. P. 013849. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.93.013849
21. Guo J., Liu X., Jiang N., Yetisen A., Yuk H., Yang C., et al. Highly stretchable, strain sensing hydrogel optical fibers // Advanced Materials. 2016. V. 28. N 46. P. 10244–10249. https://doi.org/10.1002/adma.201603160
22. Russell P.S.J., Beravat R., Wong G.K.L. Helically twisted photonic crystal fibres // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2017. V. 375. N 2087. P. 20150440. https://doi.org/10.1098/rsta.2015.0440
23. Machnev A.A., Pushkarev A.P., Tonkaev P., Noskov R.E., Rusimova K.R., Mosley P.J., et al. Modifying light–matter interactions with perovskite nanocrystals inside antiresonant photonic crystal fiber // Photonics Research. 2021. V. 9. N 8. P. 1462–1469. https://doi.org/10.1364/PRJ.422640
24. Kolchanov D.S., Machnev A., Blank A., Barhom H., Zhu L., Lin Q., et al. Thermo-optics of gilded hollow-core fibers // Nanoscale. 2024. V. 16. N 29. P. 13945–13952. https://doi.org/10.1039/D3NR05310E
25. Bialynicki-Birula I., Bialynicka-Birula Z. The role of the Riemann–Silberstein vector in classical and quantum theories of electromagnetism // Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical. 2013. V. 46. N 5. P. 053001. https://doi.org/10.1088/1751-8113/46/5/053001
26. Belkovich I.V., Kogan B.L. Utilization of Riemann-Silberstein vectors in electromagnetics // Progress in Electromagnetics Research B. 2016. V. 69. N 1. P. 103–116. https://doi.org/10.2528/pierb16051809
27. Snyder A.W., Love J. Optical Waveguide Theory. Chapman and Hall, 1983. 746 p.
28. Seaborn J.B. Hypergeometric Functions and Their Applications. Springer, 2013. 268 p.
2. McMahon P.L. The physics of optical computing // Nature Reviews Physics. 2023. V. 5. N 12. P. 717–734. https://doi.org/10.1038/s42254-023-00645-5
3. Chanana A., Larocque H., Moreira R., Carolan J., Guha B., Melo E.G., et al. Ultra-low loss quantum photonic circuits integrated with single quantum emitters // Nature Communications. 2022. V. 13. N 1. P. 7693. https://doi.org/10.1038/s41467-022-35332-z
4. Dong T., Liang J.J., Camayd-Muñoz S., Liu Y., Tang H., Kita S., et al. Ultra-low-loss on-chip zero-index materials // Light: Science & Applications. 2021. V. 10. N 1. P. 10. https://doi.org/10.1038/s41377-020-00436-y
5. Blundell S., Radford T.W., Ajia I.A., Lawson D., Yan X.Z., Banakar M., et al. Ultracompact programmable silicon photonics using layers of low-loss phase-change material Sb2Se3 of increasing thickness // ACS Photonics. 2025. V. 12. N 3. P. 1382–1391. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c01789
6. Bader S.D., Parkin S.S.P. Spintronics // Annual Review of Condensed Matter Physics. 2010. V. 1. P. 71–88. https://doi.org/10.1146/annurev-conmatphys-070909-104123
7. Pulizzi F. Spintronics // Nature Materials. 2012. V. 11. N 5. P. 367. https://doi.org/10.1038/nmat3327
8. Žutić I., Fabian J., Sarma S.D. Spintronics: Fundamentals and applications // Reviews of Modern Physics. 2004. V. 76. N 2. P. 323–410. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.76.323
9. Qin J., Sun B., Zhou G., Guo T., Chen Y., Ke C., et al. From spintronic memristors to quantum computing // ACS Materials Letters. 2023. V. 5. N 8. P. 2197–2215. https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c00088
10. Yang H., Valenzuela S.O., Chshiev M., Couet S., Dieny B., Dlubak B., et al. Two-dimensional materials prospects for non-volatile spintronic memories // Nature. 2022. V. 606. N 7915. P. 663–673. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04768-0
11. Bliokh K.Y., Bekshaev A.Y., Nori F. Dual electromagnetism: helicity, spin, momentum and angular momentum // New Journal of Physics. 2013. V. 15. P. 033026. https://doi.org/10.1088/1367-2630/15/3/033026
12. Bliokh K.Y., Rodríguez-Fortuño F.J., Nori F., Zayats A.V. Spin–orbit interactions of light // Nature Photonics. 2015. V. 9. N 12. P. 796–808. https://doi.org/10.1038/nphoton.2015.201
13. Bliokh K.Y., Nori F. Transverse and longitudinal angular momenta of light // Physics Reports. 2015. V. 592. P. 1–38. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2015.06.003
14. Marrucci L., Manzo C., Paparo D. Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous anisotropic media // Physical Review Letters. 2006. V. 96. N 16. P. 163905. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.163905
15. Erhard M., Fickler R., Krenn M., Zeilinger A. Twisted photons: new quantum perspectives in high dimensions // Light: Science & Applications. 2018. V. 7. P. 17146. https://doi.org/10.1038/lsa.2017.146
16. Nagali E., Giovannini D., Marrucci L., Slussarenko S., Santamato E., Sciarrino F. Experimental optimal cloning of four-dimensional quantum states of photons // Physical Review Letters. 2010. V. 105. N 7. P. 073602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.073602
17. Deriy I., Kornovan D., Petrov M., Bogdanov A. Optical spintronics: towards optical communication without energy transfer // arXiv. 2025. arXiv:2505.10489. https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.10489
18. Wu X., Tong L. Optical microfibers and nanofibers // Nanophotonics. 2013. V. 2. N 5-6. P. 407–428. https://doi.org/10.1515/nanoph-2013-0033
19. Nayak K.P., Kien F.L., Nakajima K., Miyazaki H.T., Sugimoto Y., Hakuta K. Nano-structured optical nanofibers for cavity-QED // Proc. of the Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO). 2011. P. QFC2. https://doi.org/10.1364/qels.2011.qfc2
20. Le Kien F., Rauschenbeutel A. Nanofiber-based all-optical switches // Physical Review A. 2016. V. 93. N 1. P. 013849. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.93.013849
21. Guo J., Liu X., Jiang N., Yetisen A., Yuk H., Yang C., et al. Highly stretchable, strain sensing hydrogel optical fibers // Advanced Materials. 2016. V. 28. N 46. P. 10244–10249. https://doi.org/10.1002/adma.201603160
22. Russell P.S.J., Beravat R., Wong G.K.L. Helically twisted photonic crystal fibres // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2017. V. 375. N 2087. P. 20150440. https://doi.org/10.1098/rsta.2015.0440
23. Machnev A.A., Pushkarev A.P., Tonkaev P., Noskov R.E., Rusimova K.R., Mosley P.J., et al. Modifying light–matter interactions with perovskite nanocrystals inside antiresonant photonic crystal fiber // Photonics Research. 2021. V. 9. N 8. P. 1462–1469. https://doi.org/10.1364/PRJ.422640
24. Kolchanov D.S., Machnev A., Blank A., Barhom H., Zhu L., Lin Q., et al. Thermo-optics of gilded hollow-core fibers // Nanoscale. 2024. V. 16. N 29. P. 13945–13952. https://doi.org/10.1039/D3NR05310E
25. Bialynicki-Birula I., Bialynicka-Birula Z. The role of the Riemann–Silberstein vector in classical and quantum theories of electromagnetism // Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical. 2013. V. 46. N 5. P. 053001. https://doi.org/10.1088/1751-8113/46/5/053001
26. Belkovich I.V., Kogan B.L. Utilization of Riemann-Silberstein vectors in electromagnetics // Progress in Electromagnetics Research B. 2016. V. 69. N 1. P. 103–116. https://doi.org/10.2528/pierb16051809
27. Snyder A.W., Love J. Optical Waveguide Theory. Chapman and Hall, 1983. 746 p.
28. Seaborn J.B. Hypergeometric Functions and Their Applications. Springer, 2013. 268 p.
