螺旋等離子體納米結構由于其固有的光手性，在材料科學和化學領域引起了廣泛關注。在一份新研究報告中，楊晨和美國機械和航空航天工程系的一個研究小組開發了獨特的三維Janus（具有兩種或兩種以上表面特性的納米顆粒）等離子體螺旋孔（螺旋孔），具有方向控制偏振靈敏度。用一步灰度聚焦離子束銑削技術(FIB)設計了螺旋結構。用兩個具有特定旋轉角度的納米孔徑對映體(彼此的左、右鏡像分子)編碼Janus元表面。

首次演示了方向控制偏振數據加密，這項研究中設計的樣品可以選擇性地，傳輸某些類型的偏振光，同時阻擋其他類型的偏振光。這種對偏振敏感度取決于入射光的方向；例如特定方向的光會促使陣列產生二進制圖像，而相反方向的光則會再現灰度圖像。研究人員設想將提出的Janus螺旋納米孔徑應用于多種應用領域，從內置光子器件的偏振控制、先進的對異構體傳感、數據加密和解密以及光學信息處理。

新研究結果發表在《光：科學與應用》上。手性最初是由開爾文勛爵定義，用來描述任何鏡像與自身不重合的幾何圖形。從氨基酸和核苷酸等小生物分子到蛋白質和核酸等大分子，甚至我們的手和腳，這種特性在生物物體中無處不在。雖然一種被稱為對映體的分子左旋和右旋版本可以具有相似化學和物理性質，但它們可以在不同應用領域中執行完全不同的生物學功能。圓二色性(CD)光譜學通常用于分析兩種對映體的旋光性，但在天然材料中旋光效應非常微弱。

為了克服這一挑戰，科學家們先前開發了手性電漿子結構，以顯著提高手性分子的CD信號。除了這個目的，這種結構還有其他的應用，如微型偏振器、非線性光學和自旋控制光學器件。圓偏振光(CPL)的電場矢量可以沿螺旋軌跡運動，因此螺旋等離子體納米結構具有重要意義。因此，當螺旋納米結構的旋向性與cpl的旋向性相匹配時，就會產生強的光物質相互作用。然而，在實際中制造這樣的螺旋納米結構很有挑戰性。

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材料科學家們以前曾使用雙光子直接激光寫入，然后電鍍步驟來產生三維等離子體螺旋，在可見光和近紅外光譜中應用時，在微觀尺度上有空間分辨率限制。同樣，聚焦電子/離子束誘導沉積可以將螺旋結構擴展到納米結構，但這種方法缺乏大規模生產的速度。因此，為了方便和快速地制備具有巨大CD信號的等離子體螺旋納米結構，目前需要高分辨率對準和精細操作的光刻設備。在本研究中，將三維Janus等離子體螺旋納米孔徑蝕刻在一個單片光學厚度的金薄膜上，該薄膜具有弧孔和弧梯度槽，兩者端到端相連。

基于順時針或逆時針方向增加梯度溝槽的深度，手性螺旋納米孔以“A”和“B”兩種對映體形式存在，它們互為鏡像對稱。科學家們在聚焦離子束銑削過程中使用了高劑量的Ga+離子，并對離子束的聚焦和散光進行了精細調整，形成了均勻度令人滿意的三維螺旋納米孔陣列。然后，研究了在實驗裝置中，圓偏振光(CPL)照射到金表面并從硅襯底透射出去時，三維等離子體螺旋納米孔在正方向上的基粒性質。

利用COMSOL Multiphysics進行的數值模擬與實驗結果吻合較好。科學家們將三維螺旋納米孔徑建模為一系列級聯的弧形波導段，以達到預期的光學手性。在實驗裝置中，如果圓偏振光的旋向性與梯度溝槽旋向性相匹配，則入射光功率可沿梯度溝槽收集到孔徑區域內，產生強透射。然后測定了三維Janus等離子體螺旋納米孔的后向光學性質。為此將光照射到硅襯底中，將其從金表面發射出去，在反方向獲得幾乎相同的強度。

結果顯示，在圓偏振光作用下，出現了巨大的線性二色性(不是圓二色性)。基于這些結果，對Janus metasurface進行編碼，在右旋圓偏振(RCP)光照下，構建正向二進制QR (quick response)編碼圖像。第二步在線性偏振光下對反方向的灰度圖像進行編碼。能夠在沒有相互干擾的情況下，將信息編碼到同一個Janus元表面上，并在只照亮正向右手性光線的情況下顯示二維碼圖像，從而解密并連接到連接物理學家尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)的百科編碼信息。

同時測試了Janus metasurface的寬帶性能，使用二維碼掃描儀在690 nm到890 nm范圍內識別二維碼圖像。通過這種方式，研究人員引入了一種新型利用方向開關偏振靈敏度的三維Janus等離子體納米孔。他們用一步灰度FIB銑削制作了該設備。三維螺旋納米孔獨特的光學特性，使它們能夠利用方向控制的光偏振對數據進行加密和解密。這項研究將有額外的下一代應用，如多功能偏振器，高分辨率顯示器和光學信息處理。