由纳米半导体制成的光扭曲材料可能会改变光学的游戏规则

康奈尔大学的科学家们开发了一种新技术，可以将对称的半导体粒子转化为错综复杂的扭曲螺旋结构或“手性”材料，从而产生具有非凡光弯曲性能的薄膜

《科学》杂志上的一篇论文详细介绍了这一发现，它可能会彻底改变依赖于控制光偏振的技术，如显示器、传感器和光通信设备

手性材料是特殊的，因为它们可以扭曲光线。制造它们的一种方法是通过激子耦合，光激发纳米材料形成激子，激子相互作用并共享能量。历史上，激子耦合手性材料是由有机碳基分子制成的。从无机半导体中制造它们，因其稳定性和可调光学特性而备受推崇，由于需要对纳米材料相互作用进行精确控制，因此已被证明极具挑战性

康奈尔大学工程学院材料科学与工程副教授、该研究的资深作者Richard D.Robinson实验室的科学家通过使用由镉基半导体化合物制成的“神奇大小的簇”克服了这一挑战

魔术大小的簇是独特的纳米粒子，因为它们是彼此的相同副本，仅以离散的大小存在，不像许多纳米粒子可以连续变化大小。罗宾逊小组之前的研究报告称，当纳米团簇被加工成薄膜时，它们表现出圆二色性，这是手性的关键特征

Robinson解释说：“圆二色性意味着材料对左旋和右旋圆偏振光的吸收不同，就像螺纹如何决定某物的扭曲方向一样。”。“我们意识到，通过仔细控制薄膜的干燥几何形状，我们可以控制其结构和手性。我们认为这是一个将有机材料中通常存在的特性带入无机世界的机会。”

研究人员使用弯月面引导蒸发将线性纳米簇组件扭曲成螺旋形状，形成几平方毫米大小的同手征域。这些薄膜表现出异常大的光物质响应，比之前报道的无机半导体材料的记录值高出近两个数量级

领导这项研究的应用和工程物理领域的博士生Thomas Ugras说：“我对这种方法的多功能性感到兴奋，它适用于不同的纳米簇成分，使我们能够定制薄膜，使其与从紫外线到红外线的光相互作用。”

“组装技术不仅在纳米簇纤维沉积时赋予了手性，还使其线性排列，使薄膜对圆偏振光和线偏振光都敏感，增强了它们作为超材料类光学传感器的功能。”

这一发现可能会彻底改变依赖于控制光偏振的技术，并带来新的创新，如全息3D显示器、室温量子计算、超低功耗设备或非侵入性分析血糖水平的医学诊断。这些发现还为DNA等天然手性结构的形成提供了见解，这可以为未来的生物学和纳米技术研究提供信息

罗宾逊说：“我们想了解簇大小、组成、方向和邻近度等因素是如何影响手性行为的。”。“这是一门复杂的科学，但在三种不同的材料系统中证明这一点告诉我们有很多东西需要探索，它为研究和应用打开了新的大门。”

Robinson表示，未来的工作将侧重于将这项技术扩展到其他材料，如纳米片和量子点，以及改进在器件上涂覆半导体材料薄膜的工业制造工艺 More information: Thomas J. Ugras et al, Transforming achiral semiconductors into chiral domains with exceptional circular dichroism, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ado7201

Journal information: Science