华东理工在频率动态驱动倾斜螺旋液晶光学微结构方面的新进展

近期，华东理工大学物理学院郑致刚教授与东南大学李全教授合作，在电场频率动态驱动倾斜螺旋液晶光学微结构的研究方面取得了新进展，该工作在国际权威学术期刊《自然-通讯》以“Dynamically Actuated Soft Heliconical Architecturevia Frequency of Electric Fields”为题，进行了在线报道。

信号频率驱动光学微结构对当代先进光子学和光学工程的发展有着重要意义。利用软物质体系的频率响应特性可实现宽动态范围的螺旋结构调制，然而，这种调控机制的突出问题是高频热效应给器件实际应用带来的严峻挑战。胆甾相液晶是一类具备自组装螺旋微结构的光学软材料，具有出色的刺激响应特性。对于某些特定的胆甾相液晶体系，可以通过调节所施加电场的频率，来实现相态的切换及螺旋结构螺距调制，例如在离子型液晶体系中，增大电场频率，可以形成均匀排列的平面织构，从而降低电场频率，转变为光散射态；在双频液晶中，调节电场频率可实现对直角螺旋结构的螺距及光谱的调制。然而，实现光谱宽动态范围调制通常需要兆赫兹级的高频电场，这种高频信号驱动通常将导致严重的介电加热现象，甚至会使样品温度急剧升高，在实际应用中不可避免地会加速设备和系统的老化。

为了解决上述问题，研究人员基于液晶二聚体材料构建了一种可在室温条件下对电场频率响应的倾斜螺旋胆甾相液晶体系，实现了频率驱动的宽动态范围的光子带隙可逆调制，且抑制了明显的介电加热效应。区别于传统胆甾相的平面螺旋结构，倾斜螺旋结构中液晶分子不再垂直于螺旋轴而是形成一定的倾角，螺旋结构的螺距和倾角随电场频率实时变化，而不会引起组装微结构畸变，因此可以在较低电场强度下通过调节电场频率实现从蓝、绿、红到近红外波段的宽谱域光子带隙调制。值得关注的是，这种特殊的频率响应机制，是来源于介电加热效应、场致介电扭矩和液晶弹性效应之间的微妙耦合平衡，这与传统的电场、温度、光或机械力响应完全不同。此外，该体系实现了螺旋结构对场强与频率的二元响应，进一步拓宽了光学多维度调控、光学神经网络架构与神经元器件应用的新视野，促进了对刺激响应软物质分子自组装和统计力学的进一步理解。基于倾斜螺旋体系对电场强度和频率的二元响应性，该工作进一步设计了一种不依赖复杂算法设计的信息编译与传输原型器件，以更方便、更容易、更低成本的方式模拟信息编码和解码过程，为一系列新兴的加密和防伪应用提供了独特的思路。此外，该工作还提供了软光学微腔的动态操纵与编辑策略，基于该策略引入荧光染料，实现了电场强度、频率及空间可调谐的激光发射，促进了动态光学微腔、动态光子学应用的发展。

该研究工作第一单位是华东理工大学，第一作者为我校材料科学与工程学院博士生刘炳辉，通讯作者是我校物理学院郑致刚教授与东南大学李全教授。该研究工作得到了国家优秀青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、上海市教委科技创新重大项目、上海市教委曙光计划等项目的支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30486-2