【原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c02402】

01 导读

近日，中国科学技术大陈杨教授课题组与国内外合作者在手性纳米光学领域取得重要进展，提出了谐振纳米结构中光学手性起源的微观理论，揭示了最大手性的产生机制，为手性纳米结构设计指明方向。

研究成果以“Uncovering Maximum Chirality in Resonant Nanostructures”为题于2024年7月23日发表在Nano Letters上。

02 研究背景

手性（chirality）是物体缺乏镜面对称性的几何属性，自然界中绝大多数具有化学和生物活性的物质都是手性的，如氨基酸、DNA和葡萄糖等。手性分子在与圆偏振光相互作用时表现出手性光学特性，在药物开发、疾病诊断、非对称光化学等领域有重要应用。然而，由于天然手性分子的螺旋节距比圆偏振光波长小得多，因此它们的手性响应非常弱，难以被检测或利用。

人工手性纳米结构在谐振激发下可以产生天然手性分子无法实现的巨大手性响应，现有工作在空间维度和动量维度均对此有一定的研究，并设计了多种不同的手性纳米结构(Science 2009, 325, 1513−1515; Phys. Rev. Lett. 2020, 125, 093903; Nature 2023, 613, 474−478)，但是如何在微观层面上系统地解释其强手性光学响应的起源仍是一个悬而未决的难题。目前，研究者对于结构的优化设计仍严重依赖于大范围且耗时的数值模拟，缺乏一种一般性理论指导手性纳米结构的设计。

03 研究创新点

该工作首先建立了开放空间中谐振纳米结构准正态模的手性流通量F与手性光学密度OCD=和反应螺旋密度RHD=间的关系，进而推导出谐振模式的远场辐射螺旋度S₃与OCD和RHD的关系：

长期以来研究者认为电磁场的不对称性是由OCD决定的(Phys. Rev. Lett.2010, 104, 163901; Science 2011, 332, 333-336)，但基于该理论，我们发现只有在最简单的均匀、非磁性、无损和无纳米结构的情况下，电磁场的局域手性才可以由OCD完全度量，而在涉及具有边界的纳米结构的情况下远场辐射螺旋度是由RHD和OCD共同决定的，且在高Q的谐振系统中RHD的贡献往往大于OCD的贡献，这是该工作的主要发现和创新点。

图1. 微观理论的示意图。谐振腔近场不均匀的反应螺旋密度(RHD)导致了远场手性通量F并产生了辐射螺旋度S₃。表面手性电荷ρ_c在材料边界上被诱导出作为手性源。

为了验证这一理论，研究团队设计了一种由纳米孔阵列组成的双层光子晶体板(PCS) (图2a)，通过引入面内几何破缺d₁ × d₂和面外介电常数的不对称Δε = ε₂−ε₁，打破了系统的所有镜面对称性，导致结构中出现非零的RHD和OCD分布，且的强度远大于（图2b），证明了RHD在产生手性辐射中的主导地位。同时和的体积分与Δε紧密相关，由于RHD较之OCD的贡献占主导地位，导致辐射螺旋度S₃随Δε的变化近似于RHD的变化（图2c）。该PCS在正入射下的反射光谱在739.56 nm处显示出明显的R_RR共振，而R_LL可以忽略不计。同时交叉极化分量R_RL和R_LR均为零，表明不存在极化转换，产生的最大手性来自于PCS的内禀手性。

图2. (a,d)实现最大手性的双层PCS和超表面示意图。(b) 和作为d₁的函数在上半部分空间的积分。(c) 和辐射螺旋度S3关于Δε的计算值。(e) 和关于Δε的计算值。(h) 手性双层超表面在RCP和LCP入射下的反射光谱及对应的CD谱。

进一步，基于该微观理论，研究团队在由谐振纳米颗粒阵列组成的超表面中实现了最大手性，证明了理论的普适性(图2d)，和的体积分相对于Δε的函数再次显示出RHD在手性产生中的主导作用（图2e）。当底层的介电常数ε₁固定为10.5，近似地随Δε单调增加，在Δε = 2.51处达到峰值。图2f模拟了RCP和LCP正入射时超表面的反射谱(R_R和R_L)。其中R_R在827.11 nm处消失，而R_L呈现出一个尖锐的、大小接近1的峰，导致CD高达- 0.97。

04 总结与展望

该研究团队基于一种新提出的微观理论首次阐明了谐振纳米结构中光学手性响应的起源，揭示了反应螺旋密度(RHD)在产生手性辐射方面的显著影响。在此理论的指导下，提出了一种在平面纳米结构(如PCSs和超表面)中实现最大手性的通用方法，该方法在手性传感、圆偏振发射和激光、偏振光探测和量子光学等领域具有重要应用。

该论文的共同第一作者是陈伟锦博士、博士生王振昱和俄罗斯国立核研究大学Maxim V. Gorkunov教授，共同通讯作者是澳大利亚国立大学的Yuri Kivshar教授和中国科学技术大学的陈杨教授。中山大学王雪华教授和中国科学技术大学的吴东教授、褚家如教授也对该工作进行了悉心指导。