《ACS光子学》封面:光子角动量的动态可控检测

研究背景

从DNA到甲虫鞘翅，大自然丰富多样的手性结构，为功能材料及器件的设计构筑带来无尽灵感。作为一类典型手性软光子材料，胆甾相液晶（cholesteric liquid crystal, CLC）具有自组装纳米螺旋结构和多元外场响应的手性光子带隙，拓展了光子多维度操控的可能性。特别地，CLC圆偏振敏感的布拉格反射，对光子自旋角动量（spin angular momentum, SAM）具有天然选择性。除了与圆偏振相关的SAM，光子还具有与螺旋形波前有关的轨道角动量（orbital angular momentum, OAM），在光镊、激光加工、复用光通信、超分辨显微等诸多领域具有重要应用价值。其中，独立信道的有效检测与解复用至关重要，这就对光子SAM、OAM的同时按需检测提出了更高的要求，而目前方案在动态可控性、模式无损性等方面存在一定局限。

研究亮点

针对这一挑战，课题组在前期手性液晶几何相位研究（Adv. Mater. 2018, 30, 1705865；Nat. Commun. 2019, 10, 2518）基础上，巧妙结合CLC的自旋选择性、半透半反调制、外场刺激响应等特性，发展了一种动态可控、按需无损的光子角动量检测手段。为了实现“需要检测时给出角动量信息，无需检测时无损透过角动量光束”的目标，我们提出“相反手性级联检测器”的设计，其主要功能包括：一，右旋和左旋探测器分别选择性地处理光的一个自旋本征态；二，探测器具有可调的工作波长；三，探测器能同时探测OAM。该设计可由手性液晶超结构实现，手性光子带隙伴随反射式几何相位，升/降温能使光子带隙发生蓝/红移，通过恰当编码手性螺旋结构的组装排列，能够读取待检测矢量涡旋光束的角动量信息。

图2. a) 概念设计示意图；b) 手性光子带隙的热响应性；

c) 不同工作波长的联合检测；d) 单波长的选择性检测。

研究人员采用向列相液晶与温敏手性剂的混配材料体系，验证了外界热刺激下手性光子带隙的移动。在液晶微纳结构制备方面，利用图案化光取向技术诱导CLC液晶分子的自组装行为，构筑了具有弯曲光栅特征的手性超结构。基于像散变换原理，该结构将具有螺旋形波前的光束转化为特定数目和方向的暗条纹光斑，可用作OAM的判据。级联相反手性的热调控CLC探测器，可用于光束SAM和OAM的动态可控检测，实验验证了两种检测形式：其一，联合检测，即同时检测光束的全部SAM和OAM；其二，选择性检测，即只检测目标波长和目标自旋本征态的角动量信息，而未检测部分保留在透射光中。该方案具有在线式、按需可控、无损检测等优势。本研究揭示了手性液晶超结构在外场调控自组装、光与物质相互作用等方面的潜力，为手性软光子材料的精准构筑、智能操控与光学应用提供了新思路。

南京大学为该论文唯一单位，现代工学院21级博士生张逸恒为第一作者，陈鹏副教授、陆延青教授为共同通讯作者，胡伟教授给予了重要建议，研究生徐春庭、朱琳、王馨悦及葛士军副研对本文亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划（青年科学家项目）、江苏省前沿引领技术基础研究专项、国家自然科学基金及中央高校基本科研业务费等资助完成。