新穎螺旋結構可實現(xiàn)光線的精確控制

新加坡科技設計大學的Wu Lin副教授和她的同事們創(chuàng)造了一種受螺旋梯啟發(fā)的儀器，能夠精確控制光的偏振和方向。這項研究發(fā)表在《自然·通訊》上。

光子學是一門研究光波（即光子）如何產(chǎn)生、檢測和操縱的學科。偏振是光的一個有趣特征，它通過光的電場和磁場在垂直于傳播方向的任何方向上的振蕩來描述。這種振蕩也不局限于單一平面。當光波的電場沿傳播方向螺旋上升時，就會產(chǎn)生圓偏振。

雖然調節(jié)這些圓偏振波很困難，但它們在光通信、量子計算以及生物和化學傳感方面都有應用。

新加坡科技設計大學副教授Wu Lin說：“當我們產(chǎn)生圓偏振光時，我們要確保它以特定的角度定向，以便我們收集和有效利用它。”

量子點是一種半導體納米晶體，因其尺寸�。�2~10 納米）而具有量子力學特性，是最佳的緊湊型光發(fā)射器。當光線鄰近納米結構時，可實現(xiàn)定向發(fā)射或圓偏振。

否則，光的偏振性很差，會向各個方向傳播。然而，同時調節(jié)方向和偏振還從未實現(xiàn)過。為了彌補這一差距，Wu副教授與同事們發(fā)表了一項題為 “Unidirectional chiral emission via twisted bi-layer metasurfaces”的研究。

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具有兩種設計配置的扭曲雙層超表面示意圖：對齊圓盤（本征手性）和位移圓盤（單向手性）。圖中顯示了單向手性設計的特征極化和遠場振幅的詳細圖。關鍵設計參數(shù)包括層間距離、扭曲角度和橫向位移。

從本質上講，該團隊必須解決一個復雜的問題。他們必須利用精心設計的結構共振來調節(jié)光的偏振和發(fā)射光束的方向。此外，由于圓偏振光是手性的，因此其鏡像不能疊加在圓偏振光之上。要產(chǎn)生手性波，必須破壞結構的鏡像對稱性，這就賦予了手性波奇特的設計。

在Wu副教授的指導下，新加坡國立大學的博士生、該研究的第一作者 Dmitrii Gromyko 找到了答案。Dmitrii 最初從螺旋樓梯和雙頭鼓中得到啟發(fā)，創(chuàng)造了扭曲雙層超表面的概念，它由兩層周期有序的圓盤組成，圓盤上以特定角度刻有凹槽。

Wu副教授和研究團隊對這一創(chuàng)造性策略進行了進一步改進。這種結構的雙層設計是其成功的主要因素。超表面提供了適應性和協(xié)同性，因為在耦合之前，兩層都可以分別進行修改。

研究共同第一作者，新加坡科技設計大學博士生Dmitrii Gromyko：“我們電波的電場在空間中是平滑和連續(xù)的，而只需兩層圓盤就能產(chǎn)生電場，這就像一個兩級螺旋階梯。只要爬上兩級階梯，就能知道自己走的是順時針還是逆時針路線。就光子納米結構而言，你只需為梯子的階梯選擇合適的大小。”

根據(jù)鼓的比喻，當聲音敲擊鼓面時，底部鼓面的振動與頂部鼓面的振蕩相耦合。納米結構也是如此，只是由于其圓盤上的凹槽而不對稱。由于這種不對稱，每一層的凹口圓盤都可以旋轉，以調整發(fā)射波的極化。

通過這種設計，研究小組可以調節(jié)對精確控制發(fā)射至關重要的三個因素：兩層之間的距離、頂部和底部圓盤凹口之間的角度以及頂部圓盤中心相對于底部圓盤的橫向移動。然而，構建這樣的納米結構是一項艱巨的任務。

Wu教授補充說：“這是一個真正的挑戰(zhàn)，因為你必須以10納米的精度垂直排列兩層結構。多個機構協(xié)同完成了制造和測量步驟，我們新加坡?lián)碛羞@樣的研究能力，對此我感到非常自豪�！�

剛剛加入新加坡科技與發(fā)展局科學、數(shù)學與技術組的Zhaogang Dong副教授領導的團隊開展了核心實驗工作。

創(chuàng)建這些雙層超表面具有眾多優(yōu)勢。從理論上講，它有助于理解多層系統(tǒng)的共振、設計方法和制造技術。它允許非對稱定向發(fā)射具有特定質量的波。這種納米結構可以充當圓極化波的高效發(fā)射器、路由器或光柵耦合器等。

該團隊的下一步計劃是將他們的雙層設計與納米機電系統(tǒng)相結合，創(chuàng)造出能夠主動操縱光發(fā)射角、波長和偏振的可重構手性超表面系統(tǒng)。

這項研究體現(xiàn)了 SUTD 的設計與技術交叉原則，為開發(fā)具有特殊品質的超小型器件鋪平了道路，滿足了現(xiàn)代科學技術的需求。

Wu 總結道：“有無數(shù)的挑戰(zhàn)和實際問題等待著我們用智能設計來解決。關鍵是要設計出新的解決方案，并推動現(xiàn)有技術的發(fā)展�！�

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54262-6