Оптические спиновые токи в хиральных оптоволокнах

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.

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, vol. 1, pp. 71–88. https://doi.org/10.1146/annurev-conmatphys-070909-104123

7. Pulizzi F. Spintronics. Nature Materials, 2012, vol. 11, no. 5, pp. 367. https://doi.org/10.1038/nmat3327

8. Žutić I., Fabian J., Sarma S.D. Spintronics: Fundamentals and applications. Reviews of Modern Physics, 2004, vol. 76, no. 2, pp. 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, vol. 5, no. 8. pp. 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, vol. 606, no. 7915, pp. 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, vol. 15, pp. 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, vol. 9, no. 12, pp. 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, vol. 592, pp. 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, vol. 96, no. 16, pp. 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, vol. 7, pp. 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, vol. 105, no. 7, pp. 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, vol. 2, no. 5-6, pp. 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, pp. QFC2. https://doi.org/10.1364/qels.2011.qfc2

20. Le Kien F., Rauschenbeutel A. Nanofiber-based all-optical switches. Physical Review A, 2016, vol. 93, no. 1, pp. 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, vol. 28, no. 46, pp. 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, vol. 375, no. 2087, pp. 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, vol. 9, no. 8, pp. 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, vol. 16, no. 29, pp. 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, vol. 46, no. 5, pp. 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, vol. 69, no. 1, pp. 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.