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APR | 南京大学马玲玲/陆延青团队:液晶赋能的非线性光学与量子光学

2026-07-05 00:02:32

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文章以《Liquid crystal enabled nonlinear optics and quantum optics》为题并系统梳理了以铁电向列相液晶为代表的新型液晶体系，正凭借其高自发极化、强二阶非线性光学效应、外场灵敏可调等独特优势，逐步从线性光学向非线性光学和量子光学迈进，有望为下一代可调谐、可集成、可编程光量子器件提供关键材料。该成果发表于物理领域国际高质量期刊《Applied Physics Reviews》。

研究背景

随着光子学技术的发展逐渐向微型化、可调谐和高度集成化演进，传统无机晶体和有机非线性光学材料因其生产成本高、机械脆性以及缺乏灵活的动态调控能力，正面临越来越明显的应用瓶颈。寻找具备高响应、可调谐并兼容微纳集成架构的新型介质，已经成为非线性光学与量子光学领域的重要前沿。在这样的背景下，液晶材料正作为经典光学与量子光学之间的关键桥梁快速崛起。所谓“液晶材料”，结合了流体的流动性与晶体的有序性，具备本征的光学各向异性。尤其是近年来突破性发现的“铁电向列相液晶”，不仅厚度薄且兼容性强，而且拥有自发极化、电场可切换、分子排列可重构的独特物理特征，有望成为非线性光学与量子光学领域的重要材料候选。

研究内容

文章系统梳理了以铁电向列相液晶为代表的新型液晶体系在非线性光学与量子光学领域的关键进展，阐明了液晶兼具流动性与有序性、高自发极化、强二阶非线性光学效应、外场灵敏可调等独特物理本质，为经典光学到量子光子学的跨域融合奠定基础；总结了铁电向列相液晶的材料设计、器件优化、外场调控等拓展液晶非线性与量子光学应用的有效路径与方法；详细介绍了液晶在高效倍频、参量下转换、纠缠光子源、量子态操控等非线性光学与量子光学领域的前沿应用。

文章着重阐述了铁电向列相液晶在推动非线性光学与量子光学及其功能器件发展中的潜力，总结了由铁电向列相液晶驱动的五大核心非线性与量子设计策略。

强二阶非线性响应：突破传统向列相液晶的对称性限制，利用强偶极-偶极相互作用打破对称性，产生强自发极化。由于非线性光学活性的发色团与分子长轴及极化方向一致，这种协同结构效应可有效增强二阶非线性光学响应，其等效非线性系数可达传统液晶的数个数量级，甚至媲美无机固体。
螺旋铁电相位匹配：通过优化手性掺杂，不仅可将二次谐波信号强度有效提升约500倍，还能在微米至近紫外波长范围内精确调谐螺距，为拓扑现象的探索与非线性光子技术提供新平台。
非线性光学几何相位：在铁电向列相液晶中厘清非线性几何相位编码原理，通过空间设计极化畴结构，实现级联的线性和非线性自旋-轨道耦合效应，从而能够动态、可重构地生成自旋锁定的二次谐波涡旋光束。
可调谐光子对产生：在铁电向列相液晶介质中首次实现自发参量下转换，并通过施加微弱电压或改变几何取向控制，实现对纠缠光子对亮度和偏振态的多维、高效动态调控。
光量子态动态调控：推动液晶系统从“被动器件”向“主动量子引擎”转型。利用液晶固有的拓扑缺陷和电压/波长依赖的自旋-轨道耦合，重构双波长量子光学斯格明子等拓扑量子态。进一步的工程化旨在提供可适应动态量子网络需求的量子光源，实现无反作用、高维度的量子逻辑门和通信器件。