他把黄金做成微型弹簧，用微弱电流点亮一束会打转的光

假如你戴上一副轻巧的 AR 眼镜，眼前出现的虚拟画面色彩十分逼真，而且还自带立体悬浮感，只需转动头部就能看清物体的侧面，仿佛它就真实地存在于半空之中。

有一种特殊的光能够用来在微小的镜片上实现这种体验，它拥有一种旋涡般的旋转特性，能够传递丰富的信息，这种光在物理学领域被称为手性光。

当前，全球无数科学家都在寻找办法让这种光变得更小、更易控制。最近，来自英国伦敦国王学院的谢远扬博士与所在团队，在Science上发表了一项前沿成果。

他表示，他们利用仅有几十纳米厚的金属薄膜、微小的纳米螺旋以及它们之间的几纳米的介质层，只需施加一点电压，就可以让电子在量子隧穿效应中直接发射出携带自旋角动量与轨道角动量的手性光束，为下一代超微型光学芯片打开了全新的想象空间。

想要明白这项研究有多特别，得先弄明白“手性”到底是什么。

通俗来说，手性指的是一个物体无法和它的镜像完美重叠的性质，我们的左手以及右手就是最典型的例子，它们互相成为镜像，却怎么也无法拼成一模一样的两只手。

在微观世界里面，光同样具备这种属性，一束光能够用左手转或者右手转，这种属性被称之为自旋角动量。除了旋转的偏好之外，光还能够像龙卷风一样沿着传播方向螺旋前进，这种绕圈跑的特性被称之为轨道角动量，它可以让光携带更多维度的信息。

之前科学家为了制造出这种带着旋涡和旋转属性的手性光，通常需要借助庞大的外部磁铁，或者必须使用结构复杂的特殊发光材料，这些设备体积非常庞大，制备过程也充满挑战，尤其是很难塞进微小的电子设备里。

谢远扬和合作者亚历克谢·克拉萨文、阿纳托利·扎亚茨在这一难题上找到了新的突破口，他们把目光投向了量子隧穿效应这一方向。

在经典的物理常识里面，电子遇到障碍物的时候会被弹回来，但是在纳米尺度下，电子具备能够直接穿墙而过的概率，这就叫作量子隧穿。为了能够利用这种现象，本次团队设计了一种类似三明治的金属绝缘体金属结构。

（来源：Science）

他们在平整的金属薄膜上铺了一层非常薄的绝缘氧化铝，接着再放上由黄金制成的微小纳米螺旋。这种纳米螺旋本身就具备手性，就像一个个微型的弹簧一样。当在上下金属之间施加电压的时候，电子就能开始穿透绝缘层，其中一部分的电子在这个过程中损失了能量，同时这股能量会激发金属表面的等离激元。

等离激元可被理解为金属表面自由电子相互作用、激发集体振荡而形成的特殊波动，被激发的波动能够在纳米螺旋结构的作用下向外辐射能量，最终以我们能够观测到的光的形式释放出来。

最为令人称奇的是，由于这个纳米螺旋本身具备手性结构，它迫使发射出来的光也带上了十分强烈的手性特征。论文数据显示，实验里测量出的发射不对称因子达到了 0.8，这个数值代表着圆偏振光的纯度非常高。

发射不对称因子的取值范围从负2到正2，数值越是接近极限，就越说明左旋和右旋光之间的差异越明显，因此 0.8 已经是一个非常优秀的成绩，这意味着人类能够在纳米尺度上精准地筛选出来特定旋向的光。

本次团队还深入探索了光的轨道角动量，当电子穿过这些微小的黄金螺旋的时候，它们除了发射出来带有自旋角动量的圆偏振光之外，还自带了一种旋转的涡旋波前。

由于角动量必须守恒，自旋和轨道角动量在这里展现出了非常奇妙的对称性，虽然它们的大小相等，但是方向却正好相反。这种携带轨道角动量的光束被之称为涡旋光，它在微观尺度下的产生和聚焦非常困难，对于激发分子的暗态跃迁、进行光学捕获以及自旋电子学应用有着重要的价值。

（来源：Science）

研究中，他们通过数值模拟证实了这一现象，展示了所发出的光在空间相位上的精准分布，这就好比光子在微观世界里跳起了一场编排严密的双人舞。

同时，这项技术背后还包含着复杂的结构设计。纳米螺旋被分散在金属薄膜之上，并被包裹在聚合物基质之中，基质一方面优化了螺旋的光学响应，另一方面也充当了绝缘层的作用，能够防止上下电极直接短路。

在制备环节之中，还需要利用等离子体铣削技术，把包裹在螺旋顶部的聚合物加以剥离，进而露出来黄金的顶面，以便与上面板状电极形成较好的接触。整个器件的厚度非常小，但却能通过改变施加的电压来调节发射的光谱。实验里，他们观察到光谱在 620 纳米、740 纳米和 860 纳米波长处有三个明显的发射峰，对应着结构中几个不同的等离激元共振模式。

这三个峰的手性表现各不一样，研究团队通过计算揭开了背后谜底。他们发现顶部的厚金电极像一面镜子，把原本射向空气的光反射回了基底。在 760 纳米附近的峰值之处，原本射向空气的右旋光被反射之后改变了手性，转化为了左旋光并叠加到了基底方向，由此显著增强了左旋光的强度，使得这个波段的手性响应尤为突出。

而到了 860 纳米之处，原本射向空气和基底的光都是左旋的，镜像反射导致的极性翻转反而降低了整体的偏振纯度。这种精细的物理机制表明，纳米尺度的光学调控已经达到了前所未有的深度，仅仅通过调整几何尺寸和结构，就能精准地控制光的色彩和旋转方向。

（来源：Science）

为了让应用落地，这种微型光源的制造方式也展示了极强的可扩展性。由于纳米螺旋可以大批量化学合成，金属薄膜和绝缘层的沉积也完全兼容现代半导体工艺，这项技术具备制造超紧凑光源的潜力。

对于从事虚拟现实与增强现实行业的工程师来说，这提供了一个克服传统光学元件体积限制的方案，可以让将来的显示设备更轻薄。

在量子信息处理领域，携带特定手性和轨道角动量的光子可以作为量子比特的载体，提升信息传输的效率。在光化学中，特定手性的光能够选择性地激发某种分子，从而控制化学反应的产物。

不仅如此，这种无需外部磁场的电驱动方式，为构建便携式手性光学系统提供了新的途径。传统的圆偏振光发射器件通常需要结合磁光材料或者复杂的微腔结构，不仅制造难度大，而且能耗较高。

借助隧穿驱动的手性等离激元技术，只需要极小的偏置电压，就能在单粒子级别实现发光。这种低功耗的特性，在可穿戴设备和高密度集成的光子芯片中显得尤为珍贵，人们能在更微小的空间里集成更多的功能模块。

（来源：Science）

回到实验本身，显微镜下的纳米螺旋阵列如同微小的黄金风车，嵌在平整的基底上面。当电流通过时，这些肉眼无法看清的小风车便开始工作，一束束旋向各异的光从中倾泻而出。

研究团队通过精密的偏振测量设备，捕捉并分辨了这些光的自旋状态。他们甚至对比了没有手性结构的方形金属块，发现只有在引入螺旋结构后，发射出的光才具备明显的手性特征。这一对照实验证实了结构手性在光的极化控制中起到了决定性的作用，几何形态的改变直接影响了光子的行为。

从基础物理的角度来看，这项成果连接了量子隧穿与纳米光子学两个领域。电子在隧穿释放能量的瞬间，其能量转移给了等离激元，进而转化为自由空间的光子。这种能量传递机制十分高效，且响应速度极快，能够在极短的时间内完成光信号的调制。

科学家们可以借此研究手性物质与光的相互作用，甚至利用这种微型光源去探测复杂分子的空间结构，在药物研发和生物传感等领域发挥作用。

回顾光学研究的历程，人类一直在探索如何更精准地驾驭光。从最初用透镜折射光线，到后来用晶体控制偏振，再到如今通过量子隧穿和纳米结构直接生成手性光，控制手段变得越来越精细。

谢远扬与所在团队的这项工作证实了在微观隧道里操控光子的可能性。未来在纳米尺度上对光进行剪裁，将逐渐变成一种标准化的工程能力。随着材料科学和制造工艺的进步，微型光学器件将会以更低的能耗和更小的体积，逐渐融进人类未来的生活图景里。

参考资料：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeh4015?referrer=https%3A%2F%2Fwww.science.org%2Fdoi%2F10.1126%2Fscience.aeh4015