قدمت دراسة نُشرت في مجلة "Advanced Photonics Nexus" طريقة جديدة لتوليد حزم ضوئية ملتوية في الفضاء الحر من خلال الجمع بين هياكل متعددة الطبقات عازلة وأسطح معدنية منقوشة. هذه التقنية قد تساعد في التغلب على تحديات تشكيل الحزم الضوئية من مصادر ضوئية صغيرة، وتوفر مسارًا جديدًا لتطبيقات تكامل الفوتونيات. 
يمكن تقسيم الزخم الزاوي الذي يحمله الضوء إلى شكلين: مرتبط بالاستقطاب ومرتبط بالمدار. يسمح الزخم الزاوي المداري للضوء بالانتشار بشكل ملتوي مثل فتاحة الزجاجات، ويحمل إمكانات في تشفير المعلومات، والتفاعل مع المادة، واستكشاف الأنظمة. ومع ذلك، ظل توليد ضوء ملتوي محدد جيدًا من مصادر ضوئية نانوية الحجم يمثل تحديًا تقنيًا.
استخدم فريق البحث موجات بلوخ السطحية كوسيط. هذه الموجات الكهرومغناطيسية تنتشر على طول سطح مكدس متعدد الطبقات من خماسي أكسيد التانتالوم وثاني أكسيد السيليكون مع فقدان منخفض. تم تصنيع سطح فائق كيرالي في قمة المكدس يتكون من قضبان نانوية ذهبية مرتبة في نمط حلزوني. يدخل دوران القضبان النانوية الخاصية الكيرالية، مما يتحكم في تشتت الضوء.
تتم العملية في ثلاث خطوات: يقترن شعاع ليزري حلقي مستقطب دائريًا لاستثارة موجات بلوخ السطحية. تنتشر الموجات السطحية شعاعيًا وتحمل طورًا بنيويًا. عند وصول الموجة إلى السطح الفائق الكيرالي، تنحرف إلى الأعلى في الفضاء الحر، مشكلة حزمة ضوئية ذات زخم زاوي مداري واستقطابي مضبوط. أظهر تصميم السطح الفائق انتقائية قوية للاستقطاب، حيث أظهرت التجارب أن حوالي 80٪ من الضوء المنبعث يحمل الاستقطاب الدائري المطلوب.
صرح المؤلف الرئيسي إيميليانو ديسكروف: "هدفنا هو بناء جسر بين مصادر الضوء المتناهية الصغر وعالم الضوء المنظم. من خلال توجيه الضوء باستخدام موجات بلوخ السطحية، يمكننا تشكيله بدقة عالية مع تجنب الخسائر الكبيرة لأنظمة المعادن." قام الفريق بالتحقق من المفهوم من خلال محاكاة عددية وتجارب، حيث تطابقت النتائج المقاسة مع التوقعات، مؤكدة أن التأثير ينشأ من وساطة الموجات السطحية.
تتجنب هذه الطريقة القائمة على المواد العازلة قيود الكفاءة للهياكل البلازمية، وهي مناسبة للتكامل مع مصادر الضوء النانوية، ويمكن أن تمتد إلى مستوى الفوتونات المفردة. قد تساعد في حل التحدي طويل الأمد المتمثل في ربط باعثات مجهرية بحزم ضوئية مجهرية في أنظمة مدمجة، مما يدفع قدماً بتطبيقات الأسطح الفائقة الكيرالية في مجال الفوتونيات
