冰箱自动处理您的杂货购物并提醒您食物过期的概念，可能让人们对不远的将来产生一瞥，并感到兴奋。然而，物联网(IoT)不太引人注目的一面在于其产生的庞大数据量，这需要在不同的节点之间进行存储和传输。每个云服务器，无论多远，都在某个地方实际存在，并且数据必须从该位置传输到其他地区，甚至在服务器内部也是如此。这种数据传输可能会对数据处理的效率构成重大障碍。

同样地，人工智能越来越成为日常特征，但它也需要大量的数据传输。区块链、增加的媒体消费和虚拟现实等技术都将增加错误信息和通知的潮水，促使我们增加存储容量和数据通信带宽。

旋转电子学是一门探索电子自旋属性的领域，它有潜力通过提供能够更高效存储数据的新型存储设备来改变数据存储和传输。同样地，光子学可以提供比传统技术更大的容量，用它的偏振来对光子上的信息进行编码，就像电子的自旋一样，但前提是您能够控制它。

在《自然纳米技术》杂志上发表的研究中，来自改性光学系统卓越性研究中心(TMOS)、纽约市立大学、澳大利亚国立大学和空军研究实验室的物理学家们开发了一种设计金属表面的新方法。这种方法可以通过在创新的类似狄拉克波导中产生新型的光子模式来工程电磁自旋。这推进了先前研究中使用沿拓扑界面进行信号传输的低损耗信息传输。

传统上，拓扑波导是由它们各个界面之间的突然边缘构建的。这些边缘会产生边界模式-在边缘存在的地方与在材料的大部分区域中表现不同的电磁波。这些边界模式可以以许多方式进行有效利用，但它们只有一个旋转方向，缺乏辐射控制。

主要研究员Alexander B. Khanikaev教授及其团队采用了一种全新的金属表面界面方法。他们没有使用硬边缘，而是通过在金属表面板上编织逐渐变化的边界来平滑边缘。他们没有将离散形状直接连接在一起，而是对设计进行了微小的变化，例如形成重复的六边形的孔的图案，来逐渐连接形状。这样就在金属表面上产生了前所未见的全新电磁波模式，具有非常令人兴奋的辐射特性。在单一频率下，两种不同自旋的模式可以共存，其中一种比另一种辐射更多。通过用一个圆偏振激光击打金属表面，Kiriushechkina等人能够获取特定自旋模式。实验室实验证明，当受激时，每个模式传播的距离都不同。

这种方法很快可以实现独立控制两种模式的自旋。这将创造一种二元自由度，为自旋光子学领域和使用二元光子自旋来编码和操纵信息的数据存储系统的最终发展开辟了重要机会。

共同第一作者Daria Smirnova博士说：“概念验证实验明确验证了我们的理论发现和建模。有趣的是，通过将狄拉克形式主义与简便的电动力学相结合，可以解释这种效应来描述设计模式的辐射性质。”

Khanikaev说：“在芯片上工程化光子学类似二元自旋的光结构，并根据需求操纵它的可能性为在其中编码信息开辟了真正激动人心的机会，尤其是量子信息。我们的团队与TMOS和AFRL的同事合作，目前正在基于这种光子自旋创建量子互联，但也在硅光芯片上进行基本的量子逻辑运算。因此，我们相信，从长远来看，集成的狄拉克光子系统可以成为集成量子光子学的可行平台。”

TMOS中心主任Dragomir Neshev表示：“这种机构间的协作团队工作极大地推进了元光学领域。这是一个非凡的成就，也是为什么卓越性研究中心存在的一个典型例子。它以一种研究人员自身网络所限制的方式促进了知识和专业知识的共享。我很期待看到这些合作者接下来会有什么成果。”