中国学者研发可重构软光子晶体，为虚拟现实沉浸式视觉体验带来新技术

近日，美国科罗拉多大学博德分校团队研发出一种可重构软光子晶体，借此完成对于非散射光孤子束突破性的精密动态调控行为，打破了传统光子晶体的制备复杂、良率低以及设备昂贵等限制。

（来源：Nature Materials）

其研究意义在于：第一，实现了液晶特定类别的空间取向场对于光场多元化的调控，对软光子晶体的设计做出了重要贡献；第二，建立了与实验观测完美一致的理论数值模拟模型，为更复杂的软光子晶体在光场调控的应用提供了普适性的工程预估。

可重构软光子晶体的多元化大角度光束偏转，可以为虚拟现实沉浸式视觉体验带来新的技术突破；进一步缩小完整光孤子束旋转区域大小之后，还有望用于全光计算甚至光子芯片；同时，在非机械式可调光束偏转器上，其也具备一定的应用潜力。

近日，相关论文以《类比宇宙弦的向列涡旋对光拓扑偏转行为》（Topological steering of light by nematic vortices and analogy to cosmic strings）为题发在  Nature Materials  上[1]，美国科罗拉多大学博德分校物理学院Ivan I. Smalyukh 教授担任通讯作者，该团队的博士后蒙翠玲为第一作者。

图 | 相关论文（来源： Nature Materials ）

据介绍，光子晶体中晶格的微观有序排列，会直接影响其对量子（电子、光子等）的操控，因而实现 晶体精准的微区组装至关重要。

传统光子晶体制备往往很复杂，需要严控化学成分和晶格生长速度以抑制晶格缺陷的生成，或依赖昂贵的设备系统进行激光刻蚀微纳结构，而且制成的晶体对光束的损耗巨大，且对光场的调控多为静态模式。

液晶作为一种典型的软物质，兼具液体的流动性和晶体的有序性。液晶各向异性的分子结构、长程有序化以及感应刺激响应，赋予了其独特的物理光学性质，这让它成为光信息处理、光子超材料等领域的重要研究对象。

例如，液晶显示作为全球市值逾千亿的平板显示主流技术，已经走进千家万户。目前，软光子晶体于光场的精密调控上，往往需要集成薄膜晶体管工艺和加载复杂的阵列式电场信号。

因此，假如想实现光子晶体由“繁”至“简”、由“静”至“动”的模式转变，亟需深入理解由熵变主导的液晶分子自组装行为，探索灵活可控的液晶分子空间布局排列技术，形成折射率按需分布的透明式软光子晶体。

而本次研究的展开，则受启发于宇宙弦——这是一种至今仍令学界捉摸不透的物理概念，于 1981 年首次被提出来。

当时一些科学家认为，宇宙大爆炸产生的威力，应该形成无数细而长且能量高度集聚的管子，这种管子便叫做宇宙弦。这种物质的形态可作弦式振荡，所以取名宇宙弦。

理论工作者赋予宇宙弦的性质是异乎寻常的。一厘米的宇宙弦比整座 喜马拉雅山 的质量还要大。根据爱因斯坦广义相对论，巨大的物体会造成时空弯曲，从而导致附近的光线并不是以直线传播而是发生弯曲。

由于液晶是一种很典型的软物质构筑材料，其中液晶分子的对称性破缺排列会产生拓扑缺陷，极其类似于宇宙弦。故可以借此观测到的液晶拓扑缺陷及其与光相互作用，来一步步揭示还只停留在理论上的宇宙弦到底如何使光线发生弯曲。

一方面，液晶中因杂质等产生的拓扑缺陷是不稳定且不可控的，因此在本次研究中，课题组需要探索如何有序稳定地控制微米量级区域的液晶分子排列。

为此，他们研发了可重构液晶自组装技术，这也是该工作能成功观测丰富光孤子束路径的前提条件。

另一方面，液晶作为液相和晶相的桥梁，其分子间存在很明显的热运动，故对光束有很明显的散射效应。而研究基于液晶的拓扑结构与光的相互作用，必须保证光能在液晶中传播足够长的距离。

那么，如何有效避免该散射现象从而助力光束的长程传输，也是该工作中的一个关键技术。为此，该团队提出了在液晶中激发光孤子的想法。

结合以上两个要素，他们观测到了基本的拓扑结构弯曲光孤子束的不同形态，这与理论模拟模型完美一致。这也激发课题组进一步地研究更复杂、更有趣的拓扑结构与光的作用。

于是，他们基于可重构液晶自组装技术，制备了具有复杂拓扑结构的涡旋阵列，进而在领域内首次观测到了光孤子束旋转、对称分裂以及多次偏折等行为。

从玻璃衬底清洗到最后光孤子束的路径观测，需要经历十几个步骤，一旦其中一步出现失误，就会直接影响到光孤子束的品质。而从光学显微镜观察软光子晶体的微观细节，并不能判断哪一步出了错。

这时，就得综合大量样品的制备情况，来推断问题所在。有时，一个成功样品的背后，是数十个样品的反复测试。“这个实验让我再次认识到每个样品制备条件和每个小数据的记录，对实验最后的成功是多么关键。”论文一作蒙翠玲博士表示。

另据悉，软光子晶体还可以借电场或光场进行可重构，从而对光孤 子束行为进行多元化调控。借此突破了传统光子晶体功能单一、静态化等限制。简而言之，该工作实现的面向光场精密动态可调的软光子晶体，为软光子学开拓了一个极具前沿性的研究方向。

当下，光孤子束传输很长一段距离后还是会有一定程度的光损耗，为推进该成果的工程化应用，后续他们计划聚焦于将光损耗降到最低。

一方面，其将努力减小旋转区域大小，例如在液晶系统中构建精密的拓扑结；另一方面，将试图改变系统的结构，实现基本无损耗光传输架构，助力该软光子晶体在全光计算甚至光子芯片等领域的应用。

此外，本次论文是蒙翠玲博士在美国做博后期间的工作之一。更早之前，其本科和博士分别毕业于哈尔滨工业大学和香港科技大学。目前，她即将结束博后研究，正在申请电子科技大学的教职。

参考资料：

1.Meng, C., Wu, JS. & Smalyukh, I.I. Topological steering of light by nematic vortices and analogy to cosmic strings. Nat. Mater. 22, 64–72 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01414-y