Nature子刊：EPFL-ANU团队实现晶格对称性编程手性，双通道光学加密动态范围创1.6新高

01 前言

国际顶尖期刊《Nature Communications》最新刊发来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Ivan Sinev团队联合澳大利亚国立大学Yuri Kivshar团队的重磅成果。研究团队首次提出利用晶格对称性与超原子几何形状的协同作用，设计出一种可精准调控光手性的超表面结构，为6G通信、量子光学和生物传感领域开辟全新路径。

02  对称性如何“编织”光的手性密码？

 对称性编码手性：

通过调控超原子（如“条形”或“三叶草形”结构）在五种二维晶格（方形、六边形等）中的旋转角度，实现光手性（圆二色性）的可预测调控，甚至能设计出特定角度下“零手性”的锚定点（图1a-b）。

 突破传统限制：

传统手性超表面依赖复杂纳米结构设计，而新方法仅需调整单一旋转参数（β角），即可实现从弱到强手性的连续调控，动态范围达1.6倍（图3c）。

 双通道信息加密：

首次在红外波段同时利用透射强度和圆二色性编码信息，实验成功将图像（如澳洲鹦鹉、瑞士马特洪峰）转换为光信号，为防伪、隐身技术提供新思路（图5e-f）。

03 团队声音

论文通讯作者Yuri Kivshar教授表示：“我们的工作将对称性从‘被动限制’转化为‘主动工具’，未来或能设计出动态响应的手性超表面，实时调控光的偏振状态。”

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2

图1：对称性锚点原理图

基于晶格与元原子对称性互作的手性编码概念。

a 展示了搭载手性梯度超表面和在中红外光谱范围内以圆二色性信号编码图像的超表面芯片的艺术化视图。插图为编码手性图像的超表面倾斜角度扫描电子显微镜（SEM）图像。

b 示意性阐释了超表面晶格对称性与谐振器对称性的相互作用，导致一组锁定的谐振器旋转角度β，使结构呈现非手性状态。

图2：数值仿真图谱

不同晶格与谐振器对称性的圆二色性模拟。

a-d 四种超表面的晶格对称性与单元晶胞结构示意图：(a,b) 基于 C2v 条形谐振器，(c,d) 基于C3v旋转器谐振器。

e-h 相应的圆二色性（CD）计算图谱，展示其随激发波长和谐振器旋转角度的变化。图谱显示，由谐振器与晶格对称性互作所调控的角度等距零点。水平虚线标记与CD对称性保护零点对应的β角度。每张图谱左侧的插图为(e-h)中黑色虚线标记波长处的CD截面图。

i-l 每种超表面在 β=0 时的非偏振光透射光谱计算结果。

图3：梯度超表面实验验证

手性梯度超表面的概念。

a 为正方形晶格中条形谐振器构成的手性梯度超表面示意图，晶胞内谐振器的旋转角度β沿芯片坐标平滑变化，条形颜色编码对应β值的手性信号特征。

b 为制备在CaF₂衬底上、基于Ge谐振器的手性梯度超表面光学图像，插图为沿手性梯度条带不同坐标处的SEM图像（各含6个晶胞），灰色虚线表示测量时沿梯度条带扫描的信号采集区域。

c 为模拟手性信号图谱（左）与实验测量的手性信号随芯片坐标变化关系（右）的对比。

图4：复杂晶格手性调控

针对谐振器和晶格对称性定制组合的实验结果。

a C₂ᵥ/ 六边形，b C₃ᵥ/ 六边形，c C₃ᵥ/ 矩形。

顶排：所制备的手性梯度超表面的扫描电子显微镜（SEM）图像和晶胞示意图。

底排：对应梯度超表面样品的手性信号实验测量光谱图。

图5：双通道光学加密实拍

用于信息编码的手性空间变化。

a 传输图像中的信息编码机制。谐振器的每个尺寸对应目标波长ω₀处不同水平的传输信号。

b 通过改变晶胞内谐振器旋转角度β实现手性信息编码的机制。

c 在传输信号和手性信号中编码两种不同图像的超表面光学图像，插图为编码原始图像6×6像素的超表面区域扫描电子显微镜（SEM）图像。

d 参考图像：顶部为用于传输信号编码的澳大利亚凤头鹦鹉照片，底部为用于手性编码的瑞士马特洪峰照片

 e 采用正方形晶格设计的编码超表面记录的传输图像（上排）和手性信号图像（下排）。

f 采用六边形晶格设计的超表面记录的相应图像。

04 当“对称性”成为光的“手性设计师”

从分子手性到光子调控，对称性始终是自然界的底层逻辑。这项研究将晶格对称性转化为“手性密码本”，让光的手性响应从此可预测、可设计。未来，随着动态调控技术的融入（如电光可调旋转角度），手性超表面或将在智能光学器件、生物成像、量子信息等领域掀起一场“对称性驱动”的技术变革——毕竟，能用简单规则驾驭复杂现象，才是科学最本质的魅力。

【注】小编水平有限，若有误，请联系修改；若侵权，请联系删除！