新颖螺旋结构可实现光线的精确控制

新加坡科技设计大学的Wu Lin副教授和她的同事们创造了一种受螺旋梯启发的仪器，能够精确控制光的偏振和方向。这项研究发表在《自然·通讯》上。

光子学是一门研究光波（即光子）如何产生、检测和操纵的学科。偏振是光的一个有趣特征，它通过光的电场和磁场在垂直于传播方向的任何方向上的振荡来描述。这种振荡也不局限于单一平面。当光波的电场沿传播方向螺旋上升时，就会产生圆偏振。

虽然调节这些圆偏振波很困难，但它们在光通信、量子计算以及生物和化学传感方面都有应用。

新加坡科技设计大学副教授Wu Lin说：“当我们产生圆偏振光时，我们要确保它以特定的角度定向，以便我们收集和有效利用它。”

量子点是一种半导体纳米晶体，因其尺寸小（2~10 纳米）而具有量子力学特性，是最佳的紧凑型光发射器。当光线邻近纳米结构时，可实现定向发射或圆偏振。

否则，光的偏振性很差，会向各个方向传播。然而，同时调节方向和偏振还从未实现过。为了弥补这一差距，Wu副教授与同事们发表了一项题为 “Unidirectional chiral emission via twisted bi-layer metasurfaces”的研究。

图片:ImageForNews_30049_17316688597747164.png

具有两种设计配置的扭曲双层超表面示意图：对齐圆盘（本征手性）和位移圆盘（单向手性）。图中显示了单向手性设计的特征极化和远场振幅的详细图。关键设计参数包括层间距离、扭曲角度和横向位移。

从本质上讲，该团队必须解决一个复杂的问题。他们必须利用精心设计的结构共振来调节光的偏振和发射光束的方向。此外，由于圆偏振光是手性的，因此其镜像不能叠加在圆偏振光之上。要产生手性波，必须破坏结构的镜像对称性，这就赋予了手性波奇特的设计。

在Wu副教授的指导下，新加坡国立大学的博士生、该研究的第一作者 Dmitrii Gromyko 找到了答案。Dmitrii 最初从螺旋楼梯和双头鼓中得到启发，创造了扭曲双层超表面的概念，它由两层周期有序的圆盘组成，圆盘上以特定角度刻有凹槽。

Wu副教授和研究团队对这一创造性策略进行了进一步改进。这种结构的双层设计是其成功的主要因素。超表面提供了适应性和协同性，因为在耦合之前，两层都可以分别进行修改。

研究共同第一作者，新加坡科技设计大学博士生Dmitrii Gromyko：“我们电波的电场在空间中是平滑和连续的，而只需两层圆盘就能产生电场，这就像一个两级螺旋阶梯。只要爬上两级阶梯，就能知道自己走的是顺时针还是逆时针路线。就光子纳米结构而言，你只需为梯子的阶梯选择合适的大小。”

根据鼓的比喻，当声音敲击鼓面时，底部鼓面的振动与顶部鼓面的振荡相耦合。纳米结构也是如此，只是由于其圆盘上的凹槽而不对称。由于这种不对称，每一层的凹口圆盘都可以旋转，以调整发射波的极化。

通过这种设计，研究小组可以调节对精确控制发射至关重要的三个因素：两层之间的距离、顶部和底部圆盘凹口之间的角度以及顶部圆盘中心相对于底部圆盘的横向移动。然而，构建这样的纳米结构是一项艰巨的任务。

Wu教授补充说：“这是一个真正的挑战，因为你必须以10纳米的精度垂直排列两层结构。多个机构协同完成了制造和测量步骤，我们新加坡拥有这样的研究能力，对此我感到非常自豪。”

刚刚加入新加坡科技与发展局科学、数学与技术组的Zhaogang Dong副教授领导的团队开展了核心实验工作。

创建这些双层超表面具有众多优势。从理论上讲，它有助于理解多层系统的共振、设计方法和制造技术。它允许非对称定向发射具有特定质量的波。这种纳米结构可以充当圆极化波的高效发射器、路由器或光栅耦合器等。

该团队的下一步计划是将他们的双层设计与纳米机电系统相结合，创造出能够主动操纵光发射角、波长和偏振的可重构手性超表面系统。

这项研究体现了 SUTD 的设计与技术交叉原则，为开发具有特殊品质的超小型器件铺平了道路，满足了现代科学技术的需求。

Wu 总结道：“有无数的挑战和实际问题等待着我们用智能设计来解决。关键是要设计出新的解决方案，并推动现有技术的发展。”

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54262-6