近期，華東理工大學(xué)物理學(xué)院鄭致剛教授與東南大學(xué)李全教授合作，在電場頻率動態(tài)驅(qū)動傾斜螺旋液晶光學(xué)微結(jié)構(gòu)的研究方面取得了新進(jìn)展，該工作在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》以“Dynamically Actuated Soft Heliconical Architecturevia Frequency of Electric Fields”為題，進(jìn)行了在線報道。

信號頻率驅(qū)動光學(xué)微結(jié)構(gòu)對當(dāng)代先進(jìn)光子學(xué)和光學(xué)工程的發(fā)展有著重要意義。利用軟物質(zhì)體系的頻率響應(yīng)特性可實現(xiàn)寬動態(tài)范圍的螺旋結(jié)構(gòu)調(diào)制，然而，這種調(diào)控機制的突出問題是高頻熱效應(yīng)給器件實際應(yīng)用帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。膽甾相液晶是一類具備自組裝螺旋微結(jié)構(gòu)的光學(xué)軟材料，具有出色的刺激響應(yīng)特性。對于某些特定的膽甾相液晶體系，可以通過調(diào)節(jié)所施加電場的頻率，來實現(xiàn)相態(tài)的切換及螺旋結(jié)構(gòu)螺距調(diào)制，例如在離子型液晶體系中，增大電場頻率，可以形成均勻排列的平面織構(gòu)，從而降低電場頻率，轉(zhuǎn)變?yōu)楣馍⑸鋺B(tài)；在雙頻液晶中，調(diào)節(jié)電場頻率可實現(xiàn)對直角螺旋結(jié)構(gòu)的螺距及光譜的調(diào)制。然而，實現(xiàn)光譜寬動態(tài)范圍調(diào)制通常需要兆赫茲級的高頻電場，這種高頻信號驅(qū)動通常將導(dǎo)致嚴(yán)重的介電加熱現(xiàn)象，甚至?xí)�使樣品溫度急劇升高，在實際應(yīng)用中不可避免地會加速設(shè)備和系統(tǒng)的老化。

為了解決上述問題，研究人員基于液晶二聚體材料構(gòu)建了一種可在室溫條件下對電場頻率響應(yīng)的傾斜螺旋膽甾相液晶體系，實現(xiàn)了頻率驅(qū)動的寬動態(tài)范圍的光子帶隙可逆調(diào)制，且抑制了明顯的介電加熱效應(yīng)。區(qū)別于傳統(tǒng)膽甾相的平面螺旋結(jié)構(gòu)，傾斜螺旋結(jié)構(gòu)中液晶分子不再垂直于螺旋軸而是形成一定的傾角，螺旋結(jié)構(gòu)的螺距和傾角隨電場頻率實時變化，而不會引起組裝微結(jié)構(gòu)畸變，因此可以在較低電場強度下通過調(diào)節(jié)電場頻率實現(xiàn)從藍(lán)、綠、紅到近紅外波段的寬譜域光子帶隙調(diào)制。值得關(guān)注的是，這種特殊的頻率響應(yīng)機制，是來源于介電加熱效應(yīng)、場致介電扭矩和液晶彈性效應(yīng)之間的微妙耦合平衡，這與傳統(tǒng)的電場、溫度、光或機械力響應(yīng)完全不同。此外，該體系實現(xiàn)了螺旋結(jié)構(gòu)對場強與頻率的二元響應(yīng)，進(jìn)一步拓寬了光學(xué)多維度調(diào)控、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與神經(jīng)元器件應(yīng)用的新視野，促進(jìn)了對刺激響應(yīng)軟物質(zhì)分子自組裝和統(tǒng)計力學(xué)的進(jìn)一步理解。基于傾斜螺旋體系對電場強度和頻率的二元響應(yīng)性，該工作進(jìn)一步設(shè)計了一種不依賴復(fù)雜算法設(shè)計的信息編譯與傳輸原型器件，以更方便、更容易、更低成本的方式模擬信息編碼和解碼過程，為一系列新興的加密和防偽應(yīng)用提供了獨特的思路。此外，該工作還提供了軟光學(xué)微腔的動態(tài)操縱與編輯策略，基于該策略引入熒光染料，實現(xiàn)了電場強度、頻率及空間可調(diào)諧的激光發(fā)射，促進(jìn)了動態(tài)光學(xué)微腔、動態(tài)光子學(xué)應(yīng)用的發(fā)展。

該研究工作第一單位是華東理工大學(xué)，第一作者為我校材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生劉炳輝，通訊作者是我校物理學(xué)院鄭致剛教授與東南大學(xué)李全教授。該研究工作得到了國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金重點項目、上海市教委科技創(chuàng)新重大項目、上海市教委曙光計劃等項目的支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30486-2