DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69665-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41820344
تاريخ النشر: 2026-03-12
المؤلف: Mingjin Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات المواد الميتامادية والأسطح الميتامادية
نظرة عامة
تلعب الكيرالية دورًا حاسمًا في مجالات متنوعة مثل البصريات غير الخطية، والفيزياء الكمومية، والفوتونيات الطوبولوجية. تُبلغ هذه الدراسة عن ملاحظة الليزر الكيرالي المداري من هيكل فوتوني مزدوج ملتوي، مستغلةً كيرالية هيكله الأساسية. صمم الباحثون وصنعوا هيكلًا بصريًا من نوع موير يتكون من غشائين شبه موصلين. عند الضخ البصري، حققوا ليزرًا أحادي الوضع عبر نطاق طيفي واسع يبلغ 250 نانومتر، مع عرض الضوء المنبعث خصائص كيرالية مدارية. تنبع هذه الخصائص من الارتباطات الحلزونية وغير الهيرميتية بين الرنينات الموجهة التي تدور في اتجاهات متعاكسة، كما تم تأكيده من خلال التصوير المحلولي وقياسات التداخل الذاتي.
تسلط النتائج الضوء على التطبيقات المحتملة للضوء الكيرالي في التشخيص، والتلاعب البصري، والاتصالات. أظهر المجال الناشئ من التواء المواد، الذي يستكشف آثار التكديس الملتوي للمواد ثنائية الأبعاد، أن مثل هذه التكوينات يمكن أن تغير بشكل كبير خصائصها الكهربائية، مما يمهد الطريق لتصميم مواد متقدمة. في أنظمة الفوتونيات المزدوجة الملتوية، يقدم الارتباط بين الطبقات ظواهر فريدة، بما في ذلك توطين الضوء القوي وزيادة غير خطية بصرية. تؤكد الدراسة على أهمية الكيرالية الجوهرية في هذه الأنظمة، والتي يمكن أن تؤدي إلى سلوكيات بصرية جديدة وتطبيقات، لا سيما في سياق الكيرالية المدارية وآثارها على انبعاث الضوء والليزر.
الطرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق المستخدمة في تصنيع العينات وإعداد التجارب للتحقيق في الهياكل الفوتونية الملتوية من أجل الليزر الكيرالي المداري. يتم إنشاء العينات عن طريق ربط غشائين من السطح الميتا من شريحة متعددة الآبار الكمومية (MQW) من InGaAsP على ركيزة InP، مع نمذجة الأسطح الميتا عند زاوية التواء محددة لتحقيق كيرالية مثالية. يظهر النظام دوران الموجة المستمرة (CW) في كلا الطبقتين عند النقطة الاستثنائية (EP)، مما يولد وضعين كيراليين متميزين يتميزان بالمتجهات الذاتية \( V = [0, 1, 0, -1]^T \) و \( V = [0, 1, 0, 1]^T \).
تشمل عملية التصنيع ترسيب طبقة من التيتانيوم/الذهب لإنشاء فجوة هوائية، تليها استخدام تقنية الطباعة الحجرية بالأشعة الإلكترونية (EBL) وحفر البلازما المتصلة (ICP) لتشكيل الأسطح الميتا، التي تتكون من 50 × 50 ثقب هوائي. يتم تحديد أبعاد الثقوب الهوائية، ويتم محاذاة الطبقات وربطها من خلال التلدين عند درجات حرارة منخفضة. يتضمن الإعداد التجريبي نظام قياس متقارب مع ليزر مضخة نابض عند 1064 نانومتر لبدء الليزر، بينما يتم استخدام مقياس تداخل ماخ-زيندر لتحليل أنماط الانبعاث الكيرالي. يتم التقاط الانبعاثات الليزرية الناتجة باستخدام كاميرا CMOS، ويتم تسجيل طيف الليزر باستخدام مقياس الطيف، مما يوفر رؤى حول دوامة الطور المرتبطة بالانبعاثات الكيرالية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يتم تسليط الضوء على النتائج الرئيسية، مما يظهر الاتجاهات أو الأنماط الملحوظة في البيانات. يتم الإبلاغ عن التحليلات الإحصائية، بما في ذلك قيم p وفترات الثقة، لدعم صحة النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يتضمن القسم تمثيلات بصرية مثل الرسوم البيانية أو الجداول التي توضح العلاقات بين المتغيرات أو فعالية التدخلات المختبرة. بشكل عام، تؤكد النتائج على آثار البحث، مما يوفر أساسًا لمزيد من المناقشة والتفسير في الأقسام اللاحقة.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تصميم ومبادئ التشغيل لسطح ميتا مزدوج ملتوي يظهر ليزر كيرالي مداري جوهري. يتكون الهيكل من طبقتين مكدستين من الأسطح الميتا بسمك وفجوة محددين، مصممة على شريحة InGaAsP لتوفير كسب بصري في نطاق الاتصالات C. تحتوي الأسطح الميتا على ثقوب هوائية دائرية مرتبة في شبكة مربعة، ويحدد المؤلفون أربعة نطاقات كهربائية عرضية تظهر عوامل جودة عالية بسبب وجود حالات محمية بالتناظر في الاستمرارية. يؤدي إدخال التواء بين الطبقتين إلى إنشاء نمط موير، مما يؤدي إلى خلية فائقة تشغل جزءًا من منطقة بريلوان المخفضة. يسمح هذا التصميم بالحفاظ على تشتت متساوي في نطاق TE-A مع تقليل التسرب خارج المستوى، وهو أمر حاسم لتحقيق ليزر عالي الجودة.
يستفيض المؤلفون في شرح آلية الكسب الموجهة التي تسهل حصر الرنينات الموجهة الضخمة داخل تجويف فعال، مما يؤدي إلى تذبذبات جماعية تتميز بدوال موجية من نوع لاغير-غاوسي. تؤدي الكيرالية الجوهرية للنظام إلى ظهور أوضاع في اتجاه عقارب الساعة (CW) وعكس اتجاه عقارب الساعة (CCW)، والتي ترتبط من خلال تفاعلات غير هيرميتية. تلتقط هاملتونيان الفعالة ديناميات هذه الأوضاع، كاشفةً عن شروط النقاط الاستثنائية (EPs) حيث تنهار الحالات الذاتية، مما يشير إلى توازن بين الارتباطات داخل وبين الطبقات. تؤكد الملاحظات التجريبية على وجود ليزر أحادي الوضع مع نطاق طيفي واسع، يتميز بنمط انبعاث على شكل دونات وسلوك دوامة الطور، مما يبرز إمكانيات الأسطح الميتا المزدوجة الملتوية كمصادر ضوء كيرالي مدمجة وتطبيقات جديدة في الفوتونيات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69665-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41820344
Publication Date: 2026-03-12
Author(s): Mingjin Wang et al.
Primary Topic: Metamaterials and Metasurfaces Applications
Overview
Chirality plays a crucial role in various fields such as nonlinear optics, quantum physics, and topological photonics. This study reports the observation of orbital chiral lasing from a twisted bilayer photonic structure, exploiting its inherent structural chirality. The researchers designed and fabricated a Moiré-type optical structure composed of two semiconductor membrane metasurfaces. Upon optical pumping, they achieved single-mode lasing across a broad spectral range of 250 nm, with the emitted light exhibiting chiral orbital characteristics. These characteristics stem from helical and non-Hermitian couplings between guided resonances rotating in opposite directions, as confirmed through polarization-resolved imaging and self-interference measurements.
The findings highlight the potential applications of chiral light in diagnostics, optical manipulation, and communication. The emerging field of twistronics, which explores the effects of twisted stacking of two-dimensional materials, has shown that such configurations can significantly alter their electrical properties, paving the way for advanced material design. In twisted bilayer photonic systems, interlayer coupling introduces unique phenomena, including strong light localization and enhanced optical nonlinearity. The study emphasizes the significance of intrinsic chirality in these systems, which can lead to novel optical behaviors and applications, particularly in the context of orbital chirality and its implications for light emission and lasing.
Methods
In this section, the authors describe the methods used for fabricating samples and setting up experiments to investigate twisted photonic structures for orbital chiral lasing. The samples are created by bonding two metasurface membranes from an InGaAsP multiple quantum well (MQW) wafer onto an InP substrate, with the metasurfaces patterned at a specific twist angle to achieve optimal chirality. The system exhibits continuous wave (CW) rotation in both layers at the exceptional point (EP), generating two distinct chiral modes characterized by eigenvectors \( V = [0, 1, 0, -1]^T \) and \( V = [0, 1, 0, 1]^T \).
The fabrication process involves depositing a titanium/gold layer to create an air gap, followed by the use of electron-beam lithography (EBL) and inductively coupled plasma etching (ICP) to form the metasurfaces, which consist of 50 × 50 air holes. The air-hole dimensions are specified, and the layers are aligned and bonded through low-temperature annealing. The experimental setup includes a confocal measurement system with a pulsed pump laser at 1064 nm to initiate lasing, while a Mach-Zehnder interferometer is employed to analyze the chiral emission patterns. The resulting laser emissions are captured using a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) camera, and the lasing spectrum is recorded with a spectrometer, providing insights into the phase vortex associated with the chiral emissions.
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments or analyses. Key outcomes are highlighted, demonstrating significant trends or patterns observed in the data. Statistical analyses, including p-values and confidence intervals, are reported to substantiate the validity of the results.
Additionally, the section may include visual representations such as graphs or tables that illustrate the relationships between variables or the effectiveness of the interventions tested. Overall, the results underscore the implications of the research, providing a foundation for further discussion and interpretation in subsequent sections.
Discussion
In this section, the authors discuss the design and operational principles of a twisted bilayer metasurface that exhibits intrinsic orbital chiral lasing. The structure consists of two stacked metasurfaces with a specific thickness and gap, patterned on an InGaAsP wafer to provide optical gain in the telecom C-band. The metasurfaces feature circular air holes arranged in a square lattice, and the authors identify four transverse electric bands that exhibit high quality factors due to the presence of symmetry-protected bound states in the continuum. The introduction of a twist between the two layers creates a Moiré pattern, leading to a supercell that occupies a fraction of the reduced Brillouin zone. This design allows for the maintenance of isotropic dispersion in the TE-A band while minimizing out-of-plane leakage, which is crucial for achieving high-quality lasing.
The authors further elaborate on the gain-guided mechanism that facilitates the confinement of bulk guided resonances within an effective cavity, resulting in collective oscillations characterized by Laguerre-Gaussian wavefunctions. The system’s intrinsic chirality leads to the emergence of clockwise (CW) and counterclockwise (CCW) modes, which are coupled through non-Hermitian interactions. The effective Hamiltonian captures the dynamics of these modes, revealing conditions for exceptional points (EPs) where eigenstates collapse, indicating a balance between intra- and inter-layer couplings. Experimental observations confirm the presence of single-mode lasing with a broad spectral range, characterized by a doughnut-shaped emission pattern and phase vortex behavior, underscoring the potential of twisted bilayer metasurfaces for compact chiral light sources and novel applications in photonics.