在扭曲双层超表面中的手性轨道激光

在空间中旋转的光

光通常被描述为沿直线传播，但它也可以像微小的龙卷风般螺旋旋转。以这种方式扭曲的光束可以携带信息、操控微小物体，或以新的方式探测生物材料。在这项工作中，研究人员通过堆叠并旋转两层超薄的半导体图案化薄膜，构建出一种能自然产生这种螺旋光的微型激光器。他们的方法可能使具有内在手性的“手性”光的紧凑芯片级光源更容易制造和使用。

为什么扭曲的层会改变光的行为

过去几年，科学家发现仅通过将两层原子厚度的材料相对旋转，就能彻底改变电子的运动方式，甚至将绝缘体变为超导体。这一被称为“扭曲电子学（twistronics）”的理念启发了光子学的对应思路：通过扭转人造光学材料来重塑光的行为。在一对扭曲的图案化半导体薄膜中，两层晶格的不匹配会产生更大、缓慢变化的图样，称为莫尔超晶格。关键在于，这种堆叠结构是手性的——无法与其镜像重合——因此它在处理光时能够区分左手和右手。

构建微小的扭曲激光器

团队设计了两张相同的、有孔的半导体薄片，每张上都布满方阵排列的圆孔。这些薄片作为超表面，能够在极薄的层中捕获并引导光。通过将上层相对于下层旋转约22度并将两层间距保持在仅100纳米，他们制造出了一个支持特殊导模谐振的扭曲双层器件——这些谐振是在薄膜内循环但可向垂直方向泄露的光波。材料经过工程化处理，在电信波段约1550纳米处产生增益，这与光纤通信使用的波段相同，使该器件在技术上具有相关性。

光如何开始旋转

为了将结构变成激光器，研究人员用圆形泵浦光束照射器件。该泵浦在材料上形成一个圆形区域，使得该处对光的增益更强，有效地形成了一个柔性、透镜状的腔体，而该腔体本身并不偏好任何方向或手性。在这个腔体内，光波可以绕中心顺时针或逆时针循环，就像环形道路上的车辆。在完全对称、未扭曲的系统中，这两个方向是等价的。但在扭曲双层中，两层之间存在细微的、方向相关的耦合，结合不可避免的增益与损耗，会偏向其中一种旋转模式。系统在激光启动时自发组织，使一种具有手性的循环模式占主导。

观察涡旋光束

实验上，当泵浦强度达到某一阈值时，激光会迅速打开，在约250纳米的相当宽的光谱窗口内于电信波长发射，同时保持单一的空间模态。光束剖面的图像显示出中心暗区周围的亮环——与携带轨道角动量的光相关的经典“甜甜圈”形状。干涉测量中，将光束与其偏移的副本重叠，会出现分叉状的条纹图样。这些是相位涡旋的明确标志，证实了光束在传播时确实发生扭转，且其手性由结构的固有手性决定，而非外部泵浦所决定。

这对未来技术的意义

通过精确扭转并键合两层图案化的导光薄膜，研究人员创造出一种微型激光器，能够发出带有内建轨道扭转的光，而无需额外的螺旋元件或复杂的外部控制。简单来说，该器件能直接在芯片上将普通激光光转换为稳定的光学涡旋。此类紧凑且高质量的手性光源可成为高精度传感、用光操控微小颗粒，以及在先进通信系统中向激光束编码更多信息的强有力工具。

引用: Wang, M., Lv, N., Zhang, Z. et al. Chiral orbital lasing in a twisted bilayer metasurface. Nat Commun 17, 2369 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69665-w

关键词: 扭曲双层光子学, 手性激光, 轨道角动量, 超表面, 涡旋光束