南京大學(xué)：利用極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)渦旋光場(chǎng)調(diào)控
近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院聶越峰教授課題組與張勇教授課題組合作，通過創(chuàng)新性設(shè)計(jì)在鐵電氧化物薄膜中制備出微米尺度的極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了從圓偏振光到倍頻渦旋光場(chǎng)的非線性轉(zhuǎn)換與動(dòng)態(tài)調(diào)制。該研究為多維光場(chǎng)調(diào)控提供了新的材料設(shè)計(jì)方法和平臺(tái)，在高速、大容量光通信等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)成果以“Ferro electric topologies in BaTiO3 nanomembranes for light field manipulation”為題發(fā)表在Nature Nanotechnology期刊。 5[r}'08b
鐵電氧化物中的鐵電疇結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出豐富的拓?fù)錁?gòu)型，納米尺度上穩(wěn)定且可被外場(chǎng)調(diào)控，在高速、低功耗、高密度非易失性存儲(chǔ)以及太赫茲光的吸收方面有重要的研究進(jìn)展。通過系統(tǒng)分析，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出，利用極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的空間偶極排布和材料的非線性光學(xué)特性，可實(shí)現(xiàn)空間電磁場(chǎng)的相位調(diào)控，進(jìn)而操縱光的軌道角動(dòng)量（OAM），如圖1a所示。由于OAM為信息編碼提供了除傳統(tǒng)的振幅、相位和頻率之外的額外自由度，這種利用極化拓?fù)湓O(shè)計(jì)和操縱OAM的能力有望用于高速、高容量光通信的應(yīng)用與開發(fā)。 !$ii*}
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圖1.極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)筑與光場(chǎng)調(diào)控示意圖。(a)極化拓?fù)洚犝{(diào)控渦旋光場(chǎng)的示意圖。(b-d)穹頂狀三維結(jié)構(gòu)形變的產(chǎn)生機(jī)理與晶格畸變誘導(dǎo)撓曲電場(chǎng)的原理示意圖。(e)結(jié)構(gòu)形變誘導(dǎo)鐵電極化的相場(chǎng)模擬。 K ;]dZ8
然而，常見的鐵電極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在空間上被限制在納米尺度，與激光模式存在顯著的尺寸不匹配，無法直接應(yīng)用于光場(chǎng)調(diào)控。如何在鐵電氧化物中設(shè)計(jì)特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和尺寸的極化織構(gòu)，以與激光模式兼容，面臨重大的挑戰(zhàn)。為解決上述問題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出一種利用三維形變來構(gòu)筑更大尺寸（微米）的極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新思路。通過在一種柔性的鐵電薄膜中引入鼓包結(jié)構(gòu)，利用晶格畸變產(chǎn)生徑向撓曲電場(chǎng)，進(jìn)而誘導(dǎo)形成中心匯聚型的拓?fù)湮牻Y(jié)構(gòu)（圖1b-1e）。在實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)制備了具有雙層不同應(yīng)變狀態(tài)的鈦酸鋇（BaTiO3）自支撐薄膜，這種可彎曲的柔性薄膜在釋放應(yīng)力的過程中，自發(fā)形成了鼓包結(jié)構(gòu)，從而獲得了微米尺寸的中心匯聚型拓?fù)洚牐▓D2）。 tX@y ] "
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圖2.微米尺寸極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制備與表征。(a-c)自支撐薄膜的轉(zhuǎn)移集成過程：利用生長(zhǎng)轉(zhuǎn)移技術(shù)，通過雙層應(yīng)變弛豫形成鼓包中間態(tài)，撓曲電場(chǎng)誘導(dǎo)獲得極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再平鋪至目標(biāo)基底上進(jìn)行集成。(d-e)壓電力顯微鏡（PFM）和二次諧波（SHG）表征顯示中心匯聚型極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 8t, &dq
進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)利用上述設(shè)計(jì)的極化拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了非線性光學(xué)自旋-軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)換，演示了軌道角動(dòng)量為零（ℓω=0）圓偏振基頻光（σω,ℓω=0）到倍頻角動(dòng)量渦旋光場(chǎng)（σ2ω=±σω，ℓ2ω=±σω）的轉(zhuǎn)換（圖3）。此外，研究團(tuán)隊(duì)還通過變溫或施加外電場(chǎng)的方式對(duì)拓?fù)錁O化結(jié)構(gòu)進(jìn)行可逆調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間光場(chǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控，展示了極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)光場(chǎng)調(diào)控和光通信方面的應(yīng)用前景。 m_Z(osoE#W
[attachment=132434] % WXl * 圖3.基于中心匯聚型極化拓?fù)洚牭臏u旋光場(chǎng)調(diào)控。(a)光物質(zhì)相互作用幾何的圖示。(b)通過光學(xué)自旋-軌道相互作用產(chǎn)生的倍頻渦旋光束的實(shí)驗(yàn)（第一行）和模擬（第二行）強(qiáng)度分布。(c)渦旋光場(chǎng)對(duì)應(yīng)拓?fù)浜傻谋碚鳌?/div> H"k\(SPVS 綜上，該工作提出了一種利用三維結(jié)構(gòu)形變構(gòu)建拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)的創(chuàng)新方法，并展示了極化拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)在空間渦旋光場(chǎng)調(diào)控的應(yīng)用前景。利用自支撐鐵電薄膜構(gòu)筑極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于光場(chǎng)操控還具有以下獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：1）可制備超薄光子器件：自支撐鐵電薄膜可實(shí)現(xiàn)納米厚度的極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2）可轉(zhuǎn)移集成：自支撐薄膜可以在室溫下自由轉(zhuǎn)移到包括半導(dǎo)體的任意基底上，是片上光子集成的理想選擇；3）可快速電場(chǎng)調(diào)制：?jiǎn)蝹�(gè)鐵電極化狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)可在納秒時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，通過電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，有望實(shí)現(xiàn)極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及光場(chǎng)的超快調(diào)制；4）可實(shí)現(xiàn)全光調(diào)制：實(shí)驗(yàn)中已展示熱場(chǎng)對(duì)極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可逆調(diào)制，有望通過激光脈沖的熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)全光高速渦旋光場(chǎng)調(diào)制；5）有豐富拓?fù)錁?gòu)型：配合構(gòu)筑方式及電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，獲得具有不同拓?fù)浜桑O化矢量的旋轉(zhuǎn)特性）的極化結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)具有不同軌道角動(dòng)量的光場(chǎng)調(diào)制。該研究初步展示了極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在渦旋光場(chǎng)調(diào)控中的應(yīng)用潛力，其進(jìn)一步拓展有望推動(dòng)下一代高速、高容量光通信技術(shù)的發(fā)展。 Ui9;rh$1eU 南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士后孫浩瀅、博士后陳鵬程、博士生茆偉以及北京理工大學(xué)博士生郭常青為該論文的共同第一作者，張勇教授與聶越峰教授為論文的通訊作者。北京理工大學(xué)黃厚兵教授以及華威大學(xué)王鵬教授為本工作提供了重要的理論與電鏡支持。該工作也得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”以及博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。此外，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心以及江蘇省功能材料設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及江蘇省物理科學(xué)研究中心對(duì)該研究也給予了重要支持。 ADB)-!$xoi 相關(guān)鏈接： https://www.nature.com/articles/s41565-025-01919-y
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