【仪表网 研发快讯】手性结构对圆偏振光的选择性响应长期以来是光学、材料科学和纳米技术等交叉领域的前沿研究热点。近日，北京理工大学汪洋教授、李家方教授团队与南京大学陈鹏副教授、陆延青教授团队，以及澳大利亚皇家墨尔本理工大学林瀚副教授、贾宝华院士开展合作，在动态光学手性调控方面取得新进展，发展了一种纳米剪纸-液晶双手性复合结构平台，实现了圆二色性的放大、消除与反转，并成功展示了基于该复合手性结构的动态偏振光超透镜。该创新成果发表在《自然》子刊Nature Communications上。
与天然手性分子相比，人工手性光子结构凭借更强烈的圆二色性(Circular Dichroism, CD)，展现出更优异的光学调控能力。然而，当前大多数手性光子结构在实际应用中仍面临两个重要挑战：其一，这些结构的光学特性一旦制备完成即被固化，缺乏对外界环境变化的动态响应能力；其二，现有结构的手性响应往往呈现单向不可逆性，难以实现手性极性的主动调控与快速切换。这些问题制约了手性光子结构在光学加密、可调显示、动态传感等领域的应用拓展。
图1. 可调控光学手性平台设计：纳米剪纸形变结构与液晶集成器件实现光学手性的放大与反转。
针对上述挑战，合作团队提出了一种基于双手性复合结构的全新调控策略，通过纳米剪纸和分子自组装技术，构造了手性纤毛型纳米结构与手性液晶相结合的集成器件，在热场调控下实现了圆二色性的放大、消除与反转。如图1所示，研究团队通过搭建手性纳米纤毛结构与手性胆甾相液晶的 “双手性平台”，借助胆甾相液晶布拉格反射区边缘对温度呈现出的动态响应特性，促使集成器件能够在不同温度条件下，针对圆偏振光展现出差异化的选择性响应。基于此，分别通过集成相同结构手性或相反结构手性，成功突破了传统手性结构相对固定且难以反转的局限，实现了集成器件在可见光波段的宽谱、动态且连续的手性响应调控(图2)。同时，提出的双手性平台基于纳米剪纸与液晶自组装制造技术，能够在纳米级像素尺寸下实现手性光学响应，为微纳光场调控提供了新范式。
图2. 双手性平台实现光学圆二色性放大和反转
研究团队进一步探究发现，在同一手性类型的胆甾相液晶上，结合不同手性的纳米纤毛结构，能够实现对偏振光光场的有效调控。基于此原理开发的热控可调的手性超透镜如图3所示，当左旋圆偏振光入射到设计的超表面时，右旋纤毛结构相较左旋纤毛结构具有更低的透射率。基于瑞利-索末菲衍射原理，将具有不同透射率的左右旋纤毛结构进行特定环形分布设计，可实现光学聚焦。而热响应胆甾相液晶能调节入射圆偏振光强度以消除这种透射率差异分布，从而使透镜在聚焦状态与非聚焦状态间切换。有趣的是，该超透镜展现出独特的偏振选择性聚焦特性：对线偏振光和圆偏振光表现出互补的聚焦行为。当系统对圆偏振光实现有效聚焦时，对线偏振光则呈现散焦状态，反之亦然。这种独特的光学响应也为偏振敏感成像系统提供了新思路。
图3. 基于动态圆二色性的热控可调偏振光超透镜
在本工作中，团队合作者们提出了一种纳米纤毛结构与胆甾相液晶集成的可调控光学手性平台，通过纳米剪纸与液晶分子自组装技术实现了可见光区域圆二色性的动态连续调控，突破了传统手性结构光学特性固定且极性难以反转的局限。该平台兼具纳米级像素调控精度与动态响应能力，基于此构建的热控偏振光超透镜可通过温度调节实现聚焦状态的开关和切换，为动态光场调控提供了新思路。未来，该可控光学手性平台有望在动态成像、光学加密等领域催生新应用，结合智能传感材料可构建高灵敏度手性光学传感器，并有望进一步拓展至红外或紫外光波段，推动手性光子学在光通信与生物医学检测中的跨领域应用。
北京理工大学物理学院博士生李苏凡、南京大学现代工程与应用科学学院博士生张逸恒(现为西北工业大学准聘副教授)为该论文的共同第一作者，北京理工大学汪洋教授和李家方教授、南京大学陈鹏副教授、皇家墨尔本理工大学林瀚副教授为共同通讯作者，南京大学副校长陆延青教授和皇家墨尔本理工大学贾宝华院士对该工作给予了悉心指导与宝贵支持。该研究工作在北京理工大学先进光场显示芯片与系统全国重点实验室、南京大学固体微结构物理全国重点实验室等平台的支持下开展，得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、江苏省自然科学基金、澳大利亚研究理事会以及产业转型培训中心计划和联动项目计划等项目的资助。
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