基于极化加密的螺旋纳米孔数据存储

螺旋等离子体纳米结构由于其固有的光手性，在材料科学和化学领域引起了广泛关注。在一份新研究报告中，杨晨和美国机械和航空航天工程系的一个研究小组开发了独特的三维Janus（具有两种或两种以上表面特性的纳米颗粒）等离子体螺旋孔（螺旋孔），具有方向控制偏振灵敏度。用一步灰度聚焦离子束铣削技术(FIB)设计了螺旋结构。用两个具有特定旋转角度的纳米孔径对映体(彼此的左、右镜像分子)编码Janus元表面。

首次演示了方向控制偏振数据加密，这项研究中设计的样品可以选择性地，传输某些类型的偏振光，同时阻挡其他类型的偏振光。这种对偏振敏感度取决于入射光的方向；例如特定方向的光会促使阵列产生二进制图像，而相反方向的光则会再现灰度图像。研究人员设想将提出的Janus螺旋纳米孔径应用于多种应用领域，从内置光子器件的偏振控制、先进的对异构体传感、数据加密和解密以及光学信息处理。

新研究结果发表在《光：科学与应用》上。手性最初是由开尔文勋爵定义，用来描述任何镜像与自身不重合的几何图形。从氨基酸和核苷酸等小生物分子到蛋白质和核酸等大分子，甚至我们的手和脚，这种特性在生物物体中无处不在。虽然一种被称为对映体的分子左旋和右旋版本可以具有相似化学和物理性质，但它们可以在不同应用领域中执行完全不同的生物学功能。圆二色性(CD)光谱学通常用于分析两种对映体的旋光性，但在天然材料中旋光效应非常微弱。

为了克服这一挑战，科学家们先前开发了手性电浆子结构，以显著提高手性分子的CD信号。除了这个目的，这种结构还有其他的应用，如微型偏振器、非线性光学和自旋控制光学器件。圆偏振光(CPL)的电场矢量可以沿螺旋轨迹运动，因此螺旋等离子体纳米结构具有重要意义。因此，当螺旋纳米结构的旋向性与cpl的旋向性相匹配时，就会产生强的光物质相互作用。然而，在实际中制造这样的螺旋纳米结构很有挑战性。

 

材料科学家们以前曾使用双光子直接激光写入，然后电镀步骤来产生三维等离子体螺旋，在可见光和近红外光谱中应用时，在微观尺度上有空间分辨率限制。同样，聚焦电子/离子束诱导沉积可以将螺旋结构扩展到纳米结构，但这种方法缺乏大规模生产的速度。因此，为了方便和快速地制备具有巨大CD信号的等离子体螺旋纳米结构，目前需要高分辨率对准和精细操作的光刻设备。在本研究中，将三维Janus等离子体螺旋纳米孔径蚀刻在一个单片光学厚度的金薄膜上，该薄膜具有弧孔和弧梯度槽，两者端到端相连。

基于顺时针或逆时针方向增加梯度沟槽的深度，手性螺旋纳米孔以“A”和“B”两种对映体形式存在，它们互为镜像对称。科学家们在聚焦离子束铣削过程中使用了高剂量的Ga+离子，并对离子束的聚焦和散光进行了精细调整，形成了均匀度令人满意的三维螺旋纳米孔阵列。然后，研究了在实验装置中，圆偏振光(CPL)照射到金表面并从硅衬底透射出去时，三维等离子体螺旋纳米孔在正方向上的基粒性质。

利用COMSOL Multiphysics进行的数值模拟与实验结果吻合较好。科学家们将三维螺旋纳米孔径建模为一系列级联的弧形波导段，以达到预期的光学手性。在实验装置中，如果圆偏振光的旋向性与梯度沟槽旋向性相匹配，则入射光功率可沿梯度沟槽收集到孔径区域内，产生强透射。然后测定了三维Janus等离子体螺旋纳米孔的后向光学性质。为此将光照射到硅衬底中，将其从金表面发射出去，在反方向获得几乎相同的强度。

结果显示，在圆偏振光作用下，出现了巨大的线性二色性(不是圆二色性)。基于这些结果，对Janus metasurface进行编码，在右旋圆偏振(RCP)光照下，构建正向二进制QR (quick response)编码图像。第二步在线性偏振光下对反方向的灰度图像进行编码。能够在没有相互干扰的情况下，将信息编码到同一个Janus元表面上，并在只照亮正向右手性光线的情况下显示二维码图像，从而解密并连接到连接物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)的百科编码信息。

同时测试了Janus metasurface的宽带性能，使用二维码扫描仪在690 nm到890 nm范围内识别二维码图像。通过这种方式，研究人员引入了一种新型利用方向开关偏振灵敏度的三维Janus等离子体纳米孔。他们用一步灰度FIB铣削制作了该设备。三维螺旋纳米孔独特的光学特性，使它们能够利用方向控制的光偏振对数据进行加密和解密。这项研究将有额外的下一代应用，如多功能偏振器，高分辨率显示器和光学信息处理。