冰箱能自動處理您的雜貨採購，並提醒您過期食物的存在，這一概念似乎讓人對不遠的未來充滿期待。然而，物聯網（IoT）不那麼迷人的一面在於它將產生大量數據，需要在不同點之間進行存儲和傳輸。每個雲服務器，無論多麼遙遠，都實際存在於某個地方，數據必須從該地點傳輸到其他區域，甚至服務器本身內部。這種數據傳輸有可能成為影響數據處理效率的一大障礙。

同樣，人工智能正日益成為一種日常功能，但它也需要大量的數據傳輸。區塊鏈、媒體消費增長和虛擬現實等技術都將加劇錯誤信息和通知的上升趨勢，敦促我們提高存儲容量和數據通信帶寬。

自旋電子學是一個探索電子自旋特性的領域，通過提供能更高效地存儲數據的新型存儲設備，它有可能徹底改變數據存儲和傳輸。同樣，與傳統技術相比，光子學可以利用光子的偏振（類似於電子的自旋）在光子上編碼信息，但前提是你能控制它。

物理學家開創了一種在超表面上設計電磁自旋的方法，以滿足日益數字化的世界對數據存儲和傳輸的需求。這項創新可能導致未來的數據系統使用二進制光子自旋來高效地編碼和處理信息。

在發表於《自然-納米技術》（Nature Nanotechnology）上的研究報告中，來自TMOS、ARC 變革性元光學系統卓越中心（ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems）的物理學家，包括來自紐約市立大學、澳大利亞國立大學和空軍研究實驗室的副研究員開發出了一種設計元表面的新方法。這種方法可以通過在創新的類狄拉克波導中產生一種新型光子模式來設計電磁自旋。這推進了之前利用拓撲界面進行信號傳輸的低損耗信息傳輸研究。

傳統上，拓撲波導的各個界面之間都有突兀的邊緣。這些邊緣會產生邊界模式–電磁波在存在邊緣的地方與在整個材料中的表現不同。這些邊界模式可以在許多方面得到有效利用，但它們只有一個自旋方向，缺乏輻射控制。

首席研究員Alexander B. Khanikaev 教授和他的團隊採用了一種新的方法來處理元表面界面。他們沒有採用硬邊緣，而是以圖案化的方式逐漸移入元表面板坯，從而使邊界變得平滑。在這種情況下，他們對設計進行了微小的改動，而不是將不連續的形狀對接在一起，形成了一種重複六邊形的孔洞模式，從而使形狀逐漸連接在一起。這在元表面中產生了前所未有的全新電磁波模式，其輻射特性令人振奮。在一個頻率上，兩種不同自旋的模式可以共存，其中一種的輻射比另一種大。通過使用圓偏振激光照射元表面，Kiriushechkina 等人能夠捕捉到特定模式的自旋。在實驗室中，每種模式被激發時的傳播長度都不同，從而證明了這一點。

這種方法很快就能實現對兩種模式自旋的獨立控制。這將創造出一種二元自由度，為自旋光子學領域以及利用二元光子自旋編碼和處理信息的數據存儲系統的最終開髮帶來重大機遇。

共同第一作者達莉亞-斯米爾諾娃博士說：”概念驗證實驗最終驗證了我們的理論發現和建模。奇怪的是，這種效應可以通過將狄拉克形式主義與方便電動力學相結合來解釋，以描述所設計的模式的輻射性質”。

Khanikaev說：”在芯片上設計二進制自旋光結構的可能性，以及按需操縱它的可能性，為在其中編碼信息，特別是量子信息，提供了真正令人興奮的機會。我們的團隊與來自TMOS 和AFRL 的同事合作，目前正致力於創建基於這種光子自旋的量子互連，以及矽光子芯片上的基本量子邏輯運算。因此，我們相信，從長遠來看，集成的狄拉克光子系統可以成為集成量子光子學的可行平台”。

TMOS 中心主任Dragomir Neshev 說：”這種跨機構的團隊合作極大地推動了元光學領域的發展。這是一項非凡的成就，也是卓越中心存在意義的最好例證。卓越中心促進了知識和專業技術的共享，而這種共享往往受到研究人員自身網絡的限制。我很期待看到這些合作者的下一步成果”。