研究人員制造出可實時扭曲和控制光的芯片

　　哈佛大學的研究人員創造了一種緊湊型設備，可以在光通過時主動控制其“手性”，即光學手性。這是通過輕微旋轉兩個經過特殊設計的光子晶體層來實現的。近日，相關研究成果發表在Optica上。

　　哈佛大學Eric Mazur實驗室的科研團隊設計了一種可重構的扭曲雙層光子晶體，可使用集成的微機電系統進行實時調節。這一進展可能為手性傳感、光通信和量子光子學帶來新的能力。

　　“手性在科學的許多領域都非常重要——從制藥到化學、生物學，當然還有物理學和光子學。”Mazur說。“通過將扭曲光子晶體與微機電系統集成，我們獲得了一個平臺，它不僅從物理學角度而言功能強大，而且與現代光子學的制造方式兼容。”

　　由右旋圓偏振光束和左旋圓偏振光束照射的微機電系統集成扭曲雙層光子晶體示意圖。圖片來源：哈佛大學

　　光子晶體是一種設計用于控制光行為的納米級材料。這些結構小到足以置于針尖，已用于計算、傳感和高速數據傳輸等技術。

　　Mazur的研究小組通過應用扭轉電子學的思想擴展了這一領域，扭轉電子學這一概念因對扭曲雙層石墨烯的研究而受到關注。通過堆疊兩個圖案化的氮化硅層并使其相對旋轉，研究人員可以創造出單層中不存在的全新光學特性。

　　該團隊證明，這種扭曲雙層結構自然地引入了左右之間的不對稱性，使其在控制光手性方面非常有效。手性是指物體與其鏡像無法重合的特性，就像左手和右手。在光學中，這一概念既適用于材料，也適用于光本身，光可以呈螺旋狀傳播。

　　光可以順時針旋轉，稱為右旋圓偏振，或逆時針旋轉，稱為左旋圓偏振。雖然這些差異很微妙，但它們在許多科學應用中起著關鍵作用。

　　手性的微小差異可能會產生重大后果。在化學和醫學中，互為鏡像的分子在體內的行為可能截然不同。科學家經常使用手性光來研究此類分子。傳統的工具，包括波片和線性偏振器，可以檢測偏振，但其能力是固定的，且范圍有限。

　　這款哈佛的新設備通過實現完全可調諧，克服了這些限制。它不依賴靜態組件，其對不同類型手性光的響應可以連續調節，無需更換任何部件。

　　這種靈活性源于其雙層設計。當兩個光子晶體層靠得很近并發生旋轉時，該結構在幾何上變得具有手性，并且能夠檢測入射光的手性。層之間的強相互作用導致在“正入射”（即偏振光垂直于表面入射）條件下，左旋和右旋圓偏振光的透射行為存在很大差異。

　　通過使用微機電系統精確控制層間的扭轉角度和間距，研究人員證明，該設備在區分光的手性時可以調節到近乎完美的選擇性。

　　該研究還概述了創建具有可控光學手性的扭曲雙層光子晶體的更廣泛設計策略。盡管當前的設備是一個概念驗證，但它指向了實際應用。