新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)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(xiàng)研究發(fā)表在《自然·通訊》上。

光子學(xué)是一門研究光波（即光子）如何產(chǎn)生、檢測和操縱的學(xué)科。偏振是光的一個(gè)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(dāng)光波的電場沿傳播方向螺旋上升時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生圓偏振。

雖然調(diào)節(jié)這些圓偏振波很困難，但它們在光通信、量子計(jì)算以及生物和化學(xué)傳感方面都有應(yīng)用。

新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)副教授Wu Lin說：“當(dāng)我們產(chǎn)生圓偏振光時(shí)，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(diǎn)是一種半導(dǎo)體納米晶體，因其尺寸小（2~10 納米）而具有量子力學(xué)特性，是最佳的緊湊型光發(fā)射器。當(dāng)光線鄰近納米結(jié)構(gòu)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射或圓偏振。

否則，光的偏振性很差，會(huì)向各個(gè)方向傳播。然而，同時(shí)調(diào)節(jié)方向和偏振還從未實(shí)現(xiàn)過。為了彌補(bǔ)這一差距，Wu副教授與同事們發(fā)表了一項(xiàng)題為 “Unidirectional chiral emission via twisted bi-layer metasurfaces”的研究。

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具有兩種設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的特征極化和遠(yuǎn)場振幅的詳細(xì)圖。關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)包括層間距離、扭曲角度和橫向位移。

從本質(zhì)上講，該團(tuán)隊(duì)必須解決一個(gè)復(fù)雜的問題。他們必須利用精心設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)共振來調(diào)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(jié)構(gòu)的鏡像對稱性，這就賦予了手性波奇特的設(shè)計(jì)。

在Wu副教授的指導(dǎo)下，新加坡國立大學(xué)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(tuán)隊(duì)對這一創(chuàng)造性策略進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)。這種結(jié)構(gòu)的雙層設(shè)計(jì)是其成功的主要因素。超表面提供了適應(yīng)性和協(xié)同性，因?yàn)樵隈詈现�前，兩層都可以分別進(jìn)行修改。

研究共同第一作者，新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)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(gè)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(shí)針還是逆時(shí)針路線。就光子納米結(jié)構(gòu)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(dāng)聲音敲擊鼓面時(shí)，底部鼓面的振動(dòng)與頂部鼓面的振蕩相耦合。納米結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，以調(diào)整發(fā)射波的極化。

通過這種設(shè)計(jì)，研究小組可以調(diào)節(jié)對精確控制發(fā)射至關(guān)重要的三個(gè)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(dòng)。然而，構(gòu)建這樣的納米結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

Wu教授補(bǔ)充說：“這是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)，因?yàn)槟惚仨氁?0納米的精度垂直排列兩層結(jié)構(gòu)。多個(gè)機(jī)構(gòu)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(xué)、數(shù)學(xué)與技術(shù)組的Zhaogang Dong副教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開展了核心實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)。它允許非對稱定向發(fā)射具有特定質(zhì)量的波。這種納米結(jié)構(gòu)可以充當(dāng)圓極化波的高效發(fā)射器、路由器或光柵耦合器等。

該團(tuán)隊(duì)的下一步計(jì)劃是將他們的雙層設(shè)計(jì)與納米機(jī)電系統(tǒng)相結(jié)合，創(chuàng)造出能夠主動(dòng)操縱光發(fā)射角、波長和偏振的可重構(gòu)手性超表面系統(tǒng)。

這項(xiàng)研究體現(xiàn)了 SUTD 的設(shè)計(jì)與技術(shù)交叉原則，為開發(fā)具有特殊品質(zhì)的超小型器件鋪平了道路，滿足了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的需求。

Wu 總結(jié)道：“有無數(shù)的挑戰(zhàn)和實(shí)際問題等待著我們用智能設(shè)計(jì)來解決。關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)出新的解決方案，并推動(dòng)現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展�！�

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