超表面技术应用突破：手性超表面实现“光中加密”

8月13日，由瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）生物纳米光子系统实验室的 Hatice Altug 教授团队领导，并与澳大利亚国立大学（ANU）Yuri Kivshar 教授团队合作的几位科学家，成功设计出一种手性超表面（chiral metasurface）。该技术巧妙地利用了超原子（meta-atom）形状与其二维（2D）晶格对称性变化之间的相互作用，使其能够通过偏振光轻松调节手性特性，为数据加密、安全生物传感和量子技术提供了一种简便的技术途径。

图注：团队开发的手性超表面的扫描电子显微镜图像。来源：EPFL

这种超表面由沉积在氟化钙（CaF2）基底上的锗（Ge）制成。其独特之处在于，超原子的取向沿着芯片方向连续渐变——这个“控制旋钮”使得超表面对偏振光的响应能够实现无缝调控。与以往需要非常复杂的手性超原子几何结构来控制手性的方案不同，该团队的新方法让手性响应的工程设计变得简单直接。

“我们的灵感源于手性的基本概念——本质上是左旋和右旋材料，它们是彼此无法叠合的镜像，”EPFL 全职教授 Altug 解释道。“手性现象在生命和非生命世界中无处不在，在生物学、化学和材料科学中扮演着基础性角色。自然界中充满了左旋和右旋的物体（也称为对映体/enantiomers），比如我们的双手或蜗牛壳，它们很容易区分开来。”

但区分左旋和右旋在纳米尺度材料上会变得棘手，“这非常有趣，”EPFL 博士后研究员 Ivan Sinev 说。“在生物体内，分子的‘手性’被铭刻在生命的蓝图中：DNA 双螺旋在几乎每个细胞中都是右旋的，而大多数天然氨基酸是左旋的，大多数糖是右旋的。这种生物手性纯度至关重要——酶、受体和代谢途径具有高度的对映选择性。因此，改变分子的手性可能使营养物质失效，或者让药物失去活性甚至变得有害。”

这时，圆偏振光（circularly polarized light）就派上用场了。这种光在传播时会像开瓶器一样以左旋或右旋螺旋方式旋转。它与手性结构发生不同的相互作用，但这种效应在天然材料中通常很弱，使得调控变得困难。

“我们的目标是开发一种简单而强大的方法，在如此微小的尺度上操控光的‘手性’，用于加密、传感和量子技术等高级光学应用，”ANU 博士生 Ivan Toftul 表示。

图注：手性超表面的扫描电子显微镜图像（左）以及超表面编码的两个不同图像的光学图像：手性信号（瑞士马特洪峰；中）和透射信号（澳大利亚凤头鹦鹉；右）。来源：EPFL

操控光的手性
当光被圆偏振时，其电场在传播过程中旋转，形成螺旋结构。由于左旋和右旋圆偏振光与手性材料的相互作用不同，因此将圆偏振光照射到样品上——并比较每种偏振光被吸收、反射或延迟的量——科学家们就能通过一种称为圆二色性（circular dichroism）的现象来探测和读出样品的手性。

而超表面（metasurfaces）——由纳米尺寸单元（超原子）组成的工程化超薄二维晶格——可以被设计用来以极其精确的方式操控光。通过以受控的形状和方向排列这些超原子，可以创造出对特定光偏振具有强烈响应的光学表面，这是天然材料难以实现的。

图注：带有超表面的芯片——每个像素包含固定取向的超原子。来源：EPFL

加密与传感应用前景
该团队的成果对加密和传感意味着什么？“它展示了一种在电磁光谱的红外区域存储和读取信息的方法，这些信息对人眼是完全不可见的，”EPFL 博士生 Feix Brikh说。“例如，我们创建了一个双层红外水印，将两个不同的图像编码在同一个超表面上：一个隐藏在超原子尺寸的分布中，需要使用偏振光解码；而另一个则隐藏在超原子的取向下，只有在圆偏振光下才会显现。”

他们的方法在数据加密、防伪、生物传感和量子技术方面展现出巨大潜力。“除了加密，我们的技术还能增强生物传感能力，因为手性是识别药物成分和纯度的关键——这对于区分药物和毒素至关重要，”Brikh 补充道。“而且，在这种水平上操控偏振光的能力与量子技术相关，因为量子计算任务依赖于偏振光。”

团队最激动人心的时刻是什么？成功地将两个完全不同的图像编码在同一个超表面上，并在不同的激发条件下将它们显现出来。“看到一只澳大利亚凤头鹦鹉和瑞士马特洪峰隐藏在一个纳米结构芯片中，是对我们概念极具视觉吸引力的验证，”EPFL 博士生 Nikita Glebov 说。“因为这些图像只会在单一波长和特定偏振下显现，当激光波长击中超表面共振点时，在实验中突然看到它们出现，真是令人激动。”

图注：EPFL Altug 教授课题组成员（左起）：Ivan Sinev, Felix Brikh 和 Nikita Glebov。来源：EPFL

简单、可扩展的设计实现强手性效应
科学家们面临的一个主要挑战（你肯定预料到了）是：如何在保持设计简单且可扩展的同时实现强手性效应。“我们必须确保我们的超表面能产生强大且可调谐的光学效应，同时仍能使用大规模纳米加工技术制造出来。平衡这些设计和制造约束是一个关键的技术障碍，”Altug 说。

该团队相信，他们这套通用的手性设计工具包为操控结构光提供了新方法，在光计算、生物传感、化学、量子光子学和高安全性加密等领域具有潜在应用。“为了实际应用，我们需要优化制造工艺以实现更大面积和更高产量，”Altug 表示。“随着超表面从研究走向工业的过渡已经顺利进行，我们希望在未来几年内看到应用落地。”

拓展阅读：I. Sinev et al., Nat. Commun., 16, 6091 (2025); https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2.

来源：laserfocusworld