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Nat. Commun:液晶旋梯载光束西斜,不可分态似时针旋转
发表日期:2024-03-12

导读


近日,南京大学陈鹏副教授、陆延青教授团队在软物质光子学领域取得新进展,设计了一种均匀自组装的手性液晶结构,深入剖析其光子能带的特殊物理性质,引入光束入射角作为新的调控维度,动态控制矢量不可分离态的逻辑旋转,执行了一系列量子门的经典对应,并进一步探究了该元件在角位移追踪、逻辑网络等方面的应用潜力,为经典不可分离体系和软物质光子学提供了新思路和新技术。相关成果以“Logical rotation of non-separable states via uniformly self-assembled chiral superstructures”为题,发表于Nature CommunicationsNat. Commun. 15, 1108 (2024)】。


研究背景


高维结构光场广泛应用于大容量通信、光信息处理等领域,其中,矢量光是一类线偏振在横截面内非均匀分布的结构光场,换言之,其偏振与空间位置相关。在数学表达式方面,矢量光可描述为自旋自由度与轨道自由度的不可分离态,与量子体系中的两粒子纠缠态的数学形式高度相似。诚然,经典不可分离态与量子纠缠态的类比存在适用边界。如果矢量光的组成成分在空间中充分隔离,不可分离性将不复存在,而量子纠缠是非定域效应,纠缠粒子空间分隔后仍然纠缠。


不可分离态的概念,如同一座长桥飞架于经典和量子的天堑。一方面,量子领域的概念和方法得以借鉴到经典光场的研究中,启发人们揭示结构光的新颖性质。另一方面,经典结构光场有望作为量子信息系统的“平价替代品”,既保留量子体系的某些优势,又规避光量子实验在稳定性、成本等方面的挑战。然而,这道桥要真正成为通途,还需扩宽加固。一项重要内容,便是诸多量子操作向经典体系的迁移。其中,量子比特的旋转变换,是量子信息学的一种基础操作,而在经典不可分离态的对应概念却鲜有研究。


胆甾相液晶,凭借外场灵敏响应的自组装螺旋超结构,呈现出动态可控的手性光子带隙,这一光子带隙具备自旋选择性的透射/反射、几何相位调制等微纳光学效应,成为光场调控的有力平台。然而,矢量不可分离态光束遇上胆甾相液晶的手性光子带隙,就会被分解成透射和反射两路光束,同时丧失不可分离性,直观地说,矢量光被分成了透反两路上的均匀圆偏振涡旋光。欲完成不可分离态旋转变换的任务,要么求精,构筑更复杂的光子带隙,要么求变,跳出手性光子带隙的藩篱!

研究亮点


针对上述难题,南京大学陈鹏副教授、陆延青教授团队在此前胆甾相液晶光子学【Nano Lett. 24, 140 (2024); Adv. Mater. 35, 2301714 (2023); Light Sci. Appl. 11, 135 (2022); Nat. Commun.10, 2518 (2019)】的系列研究基础上,将目光投向手性带隙以外的光子能带区域,设计了一种工作于短波带边邻域的胆甾相液晶元件,成功实现了矢量不可分离态的逻辑旋转。通过改变光束入射角(即元件的倾转角),不可分离态的逻辑旋转角可以动态连续覆盖超过的范围,对应于一系列量子门的经典类比,并进一步演示了角位移追踪和逻辑网络等两方面的潜在应用。


在液晶、超构表面等微纳光学领域,构筑精巧复杂的人工微纳结构,从而获得丰富多样的光场调控能力,是一套卓有成效的研究思路,以致人们常默认,结构光场离不开材料的各异结构。本研究另辟蹊径,通过挖掘光子带隙带外邻域的光学新机制,将胆甾相液晶元件精炼至最简的静态、均匀螺距、均一排列的手性结构,并践行“被动响应”的设计理念,在均一静态元件上,由光束的一部分自由度(入射角)动态控制另一部分自由度(不可分离态)。


1.均匀手性自组装结构实现矢量不可分离态逻辑旋转的概念示意。


不可分离态逻辑旋转的概念设计见图1。胆甾相液晶元件倾转形成一定的入射角,矢量光束传播通过,局域偏振发生同步旋转。在对应的逻辑空间(即高阶庞加莱球)之中,状态点绕z轴转过一定角度,这一逻辑旋转角可由入射角动态控制。从功能需求的角度,该元件不能破坏自旋-轨道自由度之间的不可分离性,且逻辑旋转角应具备较好的调节灵敏度和动态范围。理论分析指出,在胆甾相液晶的带隙外区域,两个正向传播的本征模式足够支持完整的偏振空间,保持入射态的不可分离性,同时,传播相位之差引起旋光效应,因而实现不可分离态的旋转变换。另一方面,在胆甾相液晶中,斜入射近似等效于增大正入射波长,这提供了一个物理直觉,旋光色散强烈的区域可能有良好的入射角依赖性。研究团队通过微扰理论和数值仿真考察带外广阔区域的物理光学性质,最终选定光子带隙的短波带边邻域作为工作波段,理论研究结果如图2(a,b,c)所示。根据上述理论指导,制备了均匀的胆甾相液晶元件,反射式正交偏光显微照如图2(d)所示。图2(e,f)分别为偏振态光谱和普通庞加莱球(即均匀偏振光的逻辑空间)上演化轨迹的测试结果,表明线偏振旋转可由入射角灵活调控。


2. a)正入射的旋光度色散曲线;b)旋光度对入射角的依赖性;c)不同入射线偏振的偏振旋转角度对入射角的依赖性;d)元件的反射式正交偏光显微照;e)偏振态特征光谱;f)普通庞加莱球上状态点的受控演化轨迹。


研究团队以径向矢量光作为入射的不可分离态,验证了该元件的逻辑旋转功能。如图3所示,分别设定入射角为14.0°15.5°17.0°19.1°,出射态的偏振态分布表明逻辑旋转角分别为0π/4π/2π,对应一系列重要的量子门:恒等算符、T门、S门和泡利Z门。有趣的是,当入射角增至33.0°时,该元件表现为投影算符,正交自旋分量空间分离。此外,验证了液晶旋转门对其他种类不可分离态的适用性,并系统研究了胆甾相液晶的若干结构参数对逻辑旋转功能的影响。