德国、斯洛文尼亚与希腊几大研究团队合作，在铁电向列液晶（FNLC）中实现了自发参量下转换，并演示了纠缠光子的电场可调宽带生成，其效率可与最好的非线性晶体相媲美。光子对的辐射速率和偏振态可通过施加电场或沿样品扭曲分子取向而显著变化。这种光源有望在功能、亮度和生成的量子态的可调性方面优于标准非线性光学材料。该概念可被扩展到复杂的拓扑结构、宏观器件和多像素可调量子光源中。研究成果以题为“Tunable entangled photon-pair generation in a liquid crystal”发表在《Nature》上。

液晶（LC）得益于长程分子有序与流动性的结合，而表现出自组装、双折射与对外界激励响应的特性，从而成为光束操控领域中的关键材料。最近，FNLC 被研究者所发现，它极性有序从而导致介电常数大，对电场的响应强烈与非常高的非线性光学响应。其中，高效的二次谐波产生已在 FNLC 中被证明，但直到现在 LC 作为光量子态源的使用仍未被探索。

大多数量子光源依赖于自发的四波混合或自发参量下转换（SPDC）。在 SPDC 中，量子光源的生成需满足能量和动量守恒定律（即相位匹配条件），同时意味着仔细的光源设计，并限制了可以产生的双光子状态集。现有的解决方案，如泵浦光束调控、周期或非周期的极化非线性晶体或波导、全息调控，虽然扩充了限制，但是缺乏可调性，并且是为产生特定的量子态所设计的。新兴的量子光学超表面突破了量子态的限制，但代价是产率大大降低。故如何设计出一种可调性高且光子对产率高的器件极为重要。

在这篇文章中，几大团队合作证实了 LC 中基于 SPDC 的纠缠光子的电可调光源。据作者所知，这是首次在液体或任何有机材料中观察到 SPDC；而且，SPDC 率相当高。作者表明双光子的偏振态可以通过沿样品的分子取向扭曲或施加的电场来改变。

LC中光子对的产生

FNLC 的非线性程度取决于分子取向，其分子取向极为复杂且可被外部激励调控。为了研究 LC 中的光子对生成，作者制备了几个分子取向不同（0， ， ）的样品。

样品具有较高的折射率和双折射值与7-8 的厚度（远低于非线性相干长度19 ）。

当z轴沿分子偶极矩方向定义时，FNLC 的二阶非线性张量中只有一个分量是显著的（ ）。

因此，沿该轴产生的初始偏振光子对，其方向有效地等效于单轴晶体的光轴方向。沿着样品产生的所有微分偏振态之间的干涉给出了得到的双光子偏振态。

电场作用下的光子对极化态切换

当分子在外加电场作用下重新定向时，FNLC 所产生的双光子态发生变化。

在无外加电场作用时，水平取向分子在水平（H）偏振泵浦下产生 H 偏振光子对，而在垂直（V）偏振泵浦下不产生光子对。

在垂直于初始分子取向的场作用下，分子与场对齐。

故在外加电场作用时，水平取向分子转为垂直取向，在 H 偏振泵浦下不产生光子对，而在 V 偏振泵浦下产生 V 偏振光子对。

样品分子取向下的光子对极化态切换

在无扭曲和分子水平取向的FNLC中，水平（H）偏振泵浦下产生 H 偏振光子对；

如果分子扭曲 （即分子取向从水平方向逐渐改变为垂直方向），双光子态完全不同：主要为 “VV” 光子对与一部分 “HV” 光子对；

如果分子扭曲 （即分子取向从水平方向变为垂直方向再变为水平方向），双光子态主要为 “HH” 光子对。