圆变方——打破球对称性以控制光的偏振

(a/c)左旋和右旋CPL由电子束激发的两个垂直电偶极子之间的相位差产生。(b/d)由于电偶极子与磁偶极子之间的干扰，左、右旋CPL以不同角度发射。图片来源:ACS Nano

东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)和光子科学研究所(Institute of Photonic Sciences)的科学家们开发出一种方法，可以从终极对称结构——球体——产生圆偏振光。他们的方法涉及通过电子束激发打破球体的固有对称性，从而可以精确控制发射光的相位和偏振。该方法可以利用圆偏振光的相位和偏振方向对信息进行编码，实现新颖量子通信和加密技术。

光波具有偏振特性，在通信和信息技术中具有巨大的潜力。偏振特性与垂直于波的传播方向上的振荡方向有关。比较简单的偏振是静态的，例如单纯的垂直偏振或水平偏振。然而，也有圆偏振，其中振荡的方向随着波的传播而不断旋转。

圆偏振光(CPL)是量子通信和加密等下一代技术的关键要素。CPL可以右旋或左旋极化，具体取决于振荡旋转的方向。这种圆偏振的“二元”特性可以用来在光中稳健地编码信息;换句话说，接收机不太可能将右旋CPL误认为左旋CPL。因此，开发能够产生CPL的发射器是一个活跃的研究领域。

二维非手性结构是产生CPL的一种新兴方法。术语“非手性”类似于“对称”，意思是一个非手性结构的镜像与原始物体是不可区分的。但是一个对称物体是如何发射出具有两种不同圆偏振模式的光呢?答案是“外部对称性破坏”，通过控制局部激励或特殊设计的检测方案，使非手性结构产生具有预期方向的CPL。在最近发表在ACS Nano上的一项研究中，日本东京工业大学和西班牙ICFO的科学家们找到一种方法，可以从终极对称结构——球体中生成CPL。

球形纳米颗粒具有全向天线的功能，由于是非手性，因此需要打破外部对称性才能产生CPL。在他们的新方法中，科学家团队用电子束照射球形纳米颗粒，从而引发一种称为“阴极发光”的现象。这个过程是20世纪电视显示器的基础，高能电子撞击到材料上，激发多个局域电子到更高的能级，然后以光子的形式释放出多余的能量。领导这项研究的副教授Takumi Sannomiya评论道:“使用电子束是一种激发精确光学模式的通用方式，为生成所需的CPL提供了潜在优势。”

然而，当使用球体时，需要适当设计的激励方案来实现所需的对称性破坏。科学家们提出的不是一种，而是两种不同的方法从一个球体产生左旋CPL和右旋CPL。第一种方法是操纵电子束在球体中诱导的两个电偶极子之间的相位差。另一种方法是利用磁偶极子和电偶极子之间产生的干扰。

  为了通过实验观察球形纳米颗粒产生的CPL，科学家们开发了一种称为四维 “扫描透射电子显微镜-阴极发光”(STEM-CL)的旋光技术。值得注意的是，实验结果几乎完全符合严格理论分析的预测。Sannomiya对此结果感到兴奋，他总结说:“我们的方法在开发可定制的CPL光源方面有很大的潜力，通过电子束的定位，可以很容易地控制发射光的相位和偏振度。”这种新方法的多功能性可以用于编码光子的相位和偏振信息，使新的通信和加密方法成为可能。