近期，華東理工大學物理學院鄭致剛教授與東南大學李全教授合作，在電場頻率動態(tài)驅動傾斜螺旋液晶光學微結構的研究方面取得了新進展，該工作在國際權威學術期刊《自然-通訊》以“Dynamically Actuated Soft Heliconical Architecturevia Frequency of Electric Fields”為題，進行了在線報道。

信號頻率驅動光學微結構對當代先進光子學和光學工程的發(fā)展有著重要意義。利用軟物質體系的頻率響應特性可實現(xiàn)寬動態(tài)范圍的螺旋結構調制，然而，這種調控機制的突出問題是高頻熱效應給器件實際應用帶來的嚴峻挑戰(zhàn)。膽甾相液晶是一類具備自組裝螺旋微結構的光學軟材料，具有出色的刺激響應特性。對于某些特定的膽甾相液晶體系，可以通過調節(jié)所施加電場的頻率，來實現(xiàn)相態(tài)的切換及螺旋結構螺距調制，例如在離子型液晶體系中，增大電場頻率，可以形成均勻排列的平面織構，從而降低電場頻率，轉變?yōu)楣馍⑸鋺B(tài)；在雙頻液晶中，調節(jié)電場頻率可實現(xiàn)對直角螺旋結構的螺距及光譜的調制。然而，實現(xiàn)光譜寬動態(tài)范圍調制通常需要兆赫茲級的高頻電場，這種高頻信號驅動通常將導致嚴重的介電加熱現(xiàn)象，甚至會使樣品溫度急劇升高，在實際應用中不可避免地會加速設備和系統(tǒng)的老化。

為了解決上述問題，研究人員基于液晶二聚體材料構建了一種可在室溫條件下對電場頻率響應的傾斜螺旋膽甾相液晶體系，實現(xiàn)了頻率驅動的寬動態(tài)范圍的光子帶隙可逆調制，且抑制了明顯的介電加熱效應。區(qū)別于傳統(tǒng)膽甾相的平面螺旋結構，傾斜螺旋結構中液晶分子不再垂直于螺旋軸而是形成一定的傾角，螺旋結構的螺距和傾角隨電場頻率實時變化，而不會引起組裝微結構畸變，因此可以在較低電場強度下通過調節(jié)電場頻率實現(xiàn)從藍、綠、紅到近紅外波段的寬譜域光子帶隙調制。值得關注的是，這種特殊的頻率響應機制，是來源于介電加熱效應、場致介電扭矩和液晶彈性效應之間的微妙耦合平衡，這與傳統(tǒng)的電場、溫度、光或機械力響應完全不同。此外，該體系實現(xiàn)了螺旋結構對場強與頻率的二元響應，進一步拓寬了光學多維度調控、光學神經(jīng)網(wǎng)絡架構與神經(jīng)元器件應用的新視野，促進了對刺激響應軟物質分子自組裝和統(tǒng)計力學的進一步理解�；�于傾斜螺旋體系對電場強度和頻率的二元響應性，該工作進一步設計了一種不依賴復雜算法設計的信息編譯與傳輸原型器件，以更方便、更容易、更低成本的方式模擬信息編碼和解碼過程，為一系列新興的加密和防偽應用提供了獨特的思路。此外，該工作還提供了軟光學微腔的動態(tài)操縱與編輯策略，基于該策略引入熒光染料，實現(xiàn)了電場強度、頻率及空間可調諧的激光發(fā)射，促進了動態(tài)光學微腔、動態(tài)光子學應用的發(fā)展。

該研究工作第一單位是華東理工大學，第一作者為我校材料科學與工程學院博士生劉炳輝，通訊作者是我校物理學院鄭致剛教授與東南大學李全教授。該研究工作得到了國家優(yōu)秀青年科學基金、國家自然科學基金重點項目、上海市教委科技創(chuàng)新重大項目、上海市教委曙光計劃等項目的支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30486-2