光控液晶超表面实现可逆调谐，为光子芯片铺路

一种利用光来操控光学元器件的新技术，有望开启下一代高效率信号处理技术，推动全息视频等未来科技的发展。澳大利亚国立大学（ANU）的物理学家团队开发出一种创新方案，把原本静态的器件改造为可通过光实现动态调谐，这是研发灵活、高性能光子技术的一项关键能力。

项目负责人Yana Izdebskaya博士表示，研究团队将传统静态的超表面嵌入混有光响应染料的液晶当中，以此实现上述效果。

任职于基础与理论物理系、同时也是澳大利亚研究委员会变革性元光学系统卓越中心（TMOS）成员的Yana Izdebskaya博士称：“我们可以依靠光来改变超表面的光学响应，不需要电极、磁性元器件或是加热元件，仅仅使用光即可完成。整个过程完全可逆，而实现可逆一直是此前的一大难题。”

基于光子技术的计算机芯片，有望比电子芯片拥有更快的信号处理速度、更高能效以及更低噪声。但光子芯片此前缺失不少信号处理功能；这项新技术可以补齐光子芯片的部分短板，例如实现光开关、动态光束整形。该研究成果发表于《Nanoscale》期刊。

超构材料能够产生天然材料无法实现的奇特光学效应。这类材料由尺寸小于光波长的纳米结构阵列构筑而成。光学效应取决于超表面（本研究采用介电材料：氢化非晶硅）与周围介质（例如空气）之间的折射率差值。

空气的折射率很难改变，但如果将超表面包覆一层折射率可调的液晶，就可以对超表面的工作状态进行动态调控。

TMOS团队此前已经率先使用磁场来调控填充液晶的超表面。 但团队的最终目标是摆脱电磁类调控手段，实现光控。来自德国明斯特大学的Andrey Iljin博士的到访，补齐了这项研究的关键一环。染料领域专家Andrey Iljin博士与该团队展开合作，将光响应染料甲基红添加至液晶内部。

甲基红是一种大分子染料，在波长532纳米的绿光照射下，会根据光的偏振状态，在直型构型与弯曲构型之间切换。甲基红分子构型发生改变后，会带动向列相液晶（细长棒状分子）的取向发生偏转，进而改变液晶在超表面工作的红外波段下的偏振响应。

该团队选用由椭圆形硅纳米圆柱构成的静态超表面，该结构依靠连续域束缚态（BIC）效应产生谐振，可以同时激发电偶极谐振与磁偶极谐振。研究人员向液晶中掺杂1% 浓度的甲基红染料来实现调控。

借助这套全新调控手段，研究人员只需改变绿光的偏振，就可以调整红外波段下两种偶极谐振的相对强度。更值得一提的是，增大绿光光强，就可以调高光学响应的强度；关闭光源之后，器件不到一秒即可恢复初始状态。相比过去需要加热才能复位取向的液晶体系，响应速度得到大幅提升。

Yana Izdebskaya博士说：“初步实验中得到的快速响应效果已经令我们满意，但我相信，如果优化染料浓度或者尝试其他种类染料，还可以进一步提升调控性能。”

除继续优化响应速度之外，由Ilya Shadrivov教授带领，Yana Izdebskaya博士及其同事正着手研发像素级尺寸的可调控超表面器件。“这项技术具备很高实用价值，可应用于诸多设备，包括超透镜、成像系统以及全息设备。”

Yana Izdebskaya博士表示：“未来，这类纳米级微型元器件，有望替代手机、相机里体积庞大的透镜等器件。”