从高精度传感、量子信息到光学微操控，这些前沿领域都迫切需要一种关键光场——手性涡旋光。手性涡旋光具有确定的旋转方向且无法与其镜像重合，能够与蛋白质等手性物质发生特异性相互作用等特点，因此成为高灵敏度检测、量子态操控和光致旋转的关键技术。然而，传统方案产生手性激光往往依赖复杂的螺旋谐振腔、手性液晶材料或非对称光泵浦，这种方式不仅加工难度大、集成度低，而且由于手性通常源自外部引入的扰动，稳定性和模式纯度难以兼得。近日，北京大学彭超教授团队联合中国科学院半导体研究所郑婉华院士团队与澳大利亚国立大学Yuri Kivshar院士团队在《自然·通讯》发表了一项创新性成果：利用两个原本“无手性”的超表面结构，通过扭转堆叠构造出一种具有内禀手性的双层超表面结构，进而在通信波段实现了稳定的手性激光发射。
图1 内禀手性
该研究设计了一种具有莫尔超晶格的双层超表面结构，并采用增益引导机制实现光场局域化。两层超表面以一定角度扭转，如图2所示。扭转后的结构不仅打破了镜像对称性，而且引入了非厄米的层间耦合，使得原本无手性的两层结构通过非厄米相互作用产生了内禀手性。具体而言，在该系统中，各向同性几何形状和色散效应使体导波共振发生杂化，导致每层超表面中出现一组二重简并的集体导波共振（CGR）模式，分别沿顺时针（CW）和逆时针（CCW）方向旋转。在扭曲超表面结构固有的手性和非厄米物理的辅助下，层内和层间的CW和CCW模式相互作用，产生非厄米简并，最终使一个轨道手性模式在激射时占主导地位。
图2 内禀手性半导体激光器结构
研究团队通过晶圆键合工艺成功制备了样品，并在室温光泵浦下实现了单模激光出射。其阈值低至73 kW/cm²，且可在250 nm的宽谱范围内稳定单模工作。该激光的输出模式在实空间呈现甜甜圈形光斑，通过偏振分析和自干涉测量，研究团队清晰观察到了叉状干涉条纹，证实了相位涡旋的存在，其拓扑荷为1。这一轨道手性完全源于结构自身，不依赖于泵浦光的位置或形状，表现出极高的稳定性和内禀确定性。
该成果以“Chiral orbital lasing in a twisted bilayer metasurface”为题，发表于《自然·通讯》。中国科学院半导体所青年研究员王明金、北京大学博士生吕念远和北京大学特聘副研究员张子璇为论文共同第一作者，中国科学院半导体所郑婉华院士、澳大利亚国立大学Yuri Kivshar院士、北京大学彭超教授为论文共同通讯作者。
《自然·通讯》官网撰写“Twist-induced orbital chirality in a photonic laser”专题评论文章对文章进行了评述：“更广泛地说，这表明莫尔工程不仅可用于裁剪色散，还能调控光学运动本身的拓扑结构，为手性光源与集体光子态开辟了新方向。”
该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
