可编程晶圆级手性光学异质结构：基于扭曲排列碳纳米管与相变材料的动态调控新策略

研究人员针对固态材料手性光学响应动态调控的难题，开发了集成扭曲排列碳纳米管（CNTs）与相变材料（PCMs）的晶圆级异质结构平台。通过机器学习框架优化设计，实现了对互易性（CDiso）与非互易性（LDLB）圆二色性的电编程调控，最大动态调谐范围达363 mdeg。该研究为手性光子器件、量子光源及自旋选择性效应研究提供了通用平台。

　　

在光子学和量子材料领域，动态调控固态材料的手性光学响应一直是重大挑战。传统人工超材料制造工艺复杂且难以规模化，而分子手性材料的响应强度有限。更关键的是，现有技术无法同时调控互易性（CD_iso）和非互易性（LDLB）圆二色性——前者源于结构本征手性，后者由线性二向色性（LD）与线性双折射（LB）干涉产生。

为解决这一难题，研究人员设计了一种晶圆级手性光学异质结构，将扭曲排列的碳纳米管（CNTs）薄膜与非易失性相变材料（GST）结合。CNTs的量子限域效应产生从紫外到红外的宽谱激子共振，而GST的晶态-非晶态相变可实现介电函数的动态调控。研究团队开发了基于PyTorch的GPU加速传输矩阵方法（TMM），结合可微分编程和贝叶斯优化算法，高效设计了异质结构参数，实验验证了CD_{iso和LDLB的显著动态调谐。}

关键技术包括：1）振动辅助真空过滤（SAVF）制备晶圆级定向CNTs薄膜；2）光谱椭偏仪测定CNTs各向异性介电函数和GST相变光学常数；3）四构型圆二色谱测量法分离CD_iso与LDLB信号；4）COMSOL模拟电编程相变的热动力学过程。

【可编程异质结构架构】
通过堆叠不同取向的CNTs层与SiO₂/GST夹层结构，利用CNTs的M₁₁激子跃迁（730 nm）和各向异性吸收特性，结合GST相变对电磁耦合的调控，实现了手性响应的动态重构。实验测得CD_iso调谐范围达123 mdeg（750 nm），LDLB调谐范围60 mdeg（737 nm）。

【仿真框架】
建立的4×4传输矩阵模型可计算各向异性材料的透反射系数。通过PyTorch实现GPU并行计算，优化结果显示45°扭曲角CNTs堆叠时手性响应最强，与实验观测一致。

【实验验证】
湿法转移的CNTs薄膜与溅射GST构成的异质结构中，GST晶化（热板加热至200℃）使CD_iso信号增强3倍。非互易性LDLB在421-735 nm波段呈现信号极性反转，证实了异质结构双面探测的不对称响应。

【层数扩展性】
堆叠六层CNTs的异质结构仿真显示CD_iso调谐可达7.8度，但实际受限于5度的吸光度检测阈值。采用低损耗相变材料（如Sb₂S₃）可进一步提升性能。

【电编程能力】
CNTs兼具手性响应层与焦耳加热电极功能，-80V电压可使GST晶化（COMSOL模拟显示局部温度达320℃）。微米级图案化单元可实现纳秒级相变（τ₁=290 ns）。

该研究建立了手性光学材料"设计-仿真-制备"的全栈平台，其意义在于：1）首次实现晶圆级手性响应的动态编程；2）揭示GST介电函数虚部调谐是CD调控的主因；3）为手性量子光源、自旋电子器件提供新载体。通过扩展其他一维纳米材料（如BN纳米管）和电光材料（LiNbO₃），该平台有望催生新型非互易光学器件。