Хиральное орбитальное лазерное излучение в скрученном билayer-метаповерхностном устройстве

Свет, который закручивается в пространстве

Обычно свет описывают как распространяющийся по прямым линиям, но он также может виться, подобно небольшому торнадо. Пучки, закручивающиеся таким образом, могут нести информацию, захватывать микроскопические объекты или исследовать биоматериалы новыми способами. В этой работе исследователи создали микроскопический лазер, который по своей природе генерирует такой закрученный свет, складывая и поворачивая две ультратонкие узорчатые плёнки полупроводникового материала. Их подход может упростить создание и использование компактных чиповых источников «хиpaльного» света — света с присущей ему хиральностью (право‑ или леворукостью).

Почему скручивание слоёв меняет поведение света

За последние несколько лет учёные обнаружили, что простое вращение двух атомарно тонких материалов относительно друг друга может радикально изменить движение электронов, вплоть до превращения изолятора в сверхпроводник. Эта идея, известная как «twistronics», вдохновила фотонный аналог: скручивание искусственных оптических материалов для изменения поведения света. В паре скрученных узорчатых полупроводниковых мембран несоответствие их решёток даёт большую, медленно меняющуюся структуру —moire-суперрешётку. Важно то, что эта сложенная структура является хиральной — она не совпадает со своим зеркальным отражением — поэтому она может различать лево и право в том, как обращается со светом.

Создание крошечного скрученного лазера

Команда спроектировала две одинаковые перфорированные полупроводниковые плёнки, каждая из которых покрыта квадратной решёткой круглых отверстий. Эти плёнки действуют как метаповерхности — структуры, улавливающие и направляющие свет в очень тонких слоях. Повернув верхнюю плёнку примерно на 22 градуса относительно нижней и расположив их всего в 100 нанометрах друг от друга, они получили скручённое билayer‑устройство, поддерживающее особые направленные резонансы — волны света, циркулирующие внутри мембран, но способные утекать вертикально наружу. Материал специально разработан для усиления света в телекоммуникационной полосе около 1550 нанометров, той же области, что используется в оптоволоконной связи, что делает устройство технологически актуальным.

Как свет начинает закручиваться

Чтобы превратить структуру в лазер, исследователи освещают устройство круговым накачивающим пучком. Эта накачка создаёт круглую область, где материал усиливает свет сильнее, фактически формируя мягкую линзоподобную каверну, которая сама по себе не предпочитает никакого направления или хиральности. Внутри такой каверны световые волны могут циркулировать вокруг центра по часовой или против часовой стрелки, как автомобили на кольцевой дороге. В идеально симметричной, нескрученной системе эти два направления были бы эквивалентны. Но в скрученном билayer-е тонкие, зависящие от направления связи между слоями вместе с неизбежными усилением и потерями отдают предпочтение одному направлению вращения. Система естественным образом организуется так, что при возникновении лазерной генерации доминирует одна хиральная циркулирующая модa.

Наблюдение вихревого пучка

В экспериментах лазер резко включается, когда интенсивность накачки достигает определённого порога, излучая в телеком-диапазоне в удивительно широком спектральном окне порядка 250 нанометров при сохранении единого пространственного модового состояния. Снимки профиля пучка показывают яркое кольцо с тёмным центром — классическую «пончиковую» форму, ассоциируемую со светом, несущим орбитальный момент импульса. Интерференционные измерения, при которых пучок накладывают на сдвинутую копию самого себя, выявляют вилкообразные интерференционные полосы. Это характерные признаки фазового вихря, подтверждающие, что пучок действительно закручивается при распространении и что его хиральность определяется внутренней структурой, а не внешней накачкой.

Что это значит для будущих технологий

Тщательно скручивая и скрепляя две узорчатые светонаправляющие мембраны, исследователи создали микроскопический лазер, который излучает свет с присущей орбитальной закруткой без необходимости дополнительных спиральных элементов или сложного внешнего управления. Проще говоря, устройство превращает прямолинейный лазерный свет в устойчивый оптический вихрь прямо на чипе. Такие компактные, высококачественные источники хирального света могут стать мощными инструментами для точных измерений, манипуляции крошечными частицами с помощью света и кодирования большего объёма информации в лазерных пучках для продвинутых коммуникационных систем.

Цитирование: Wang, M., Lv, N., Zhang, Z. et al. Chiral orbital lasing in a twisted bilayer metasurface. Nat Commun 17, 2369 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69665-w

Ключевые слова: фотоника скрученных билayer-структур, хиpaльный лазер, орбитальный момент импульса, метаповерхность, вихревой пучок