OEA | 外消旋超构表面——隐手性于无形

文摘   2024-11-19 16:50   山东  



Opto-Electronic Advances

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成都信息工程大学与天津大学等单位的联合研究团队在太赫兹波段验证了外消旋超构表面的可能性,实现了近场-远场电磁手性的分离,并展示了基于该结构的多维度太赫兹波调控。通过引入超原子之间、复合结构之间的两阶Pancharatnam‐Berry相位完成了透射太赫兹波偏振、波前控制的一体化设计,在手性物质波谱检测、太赫兹成像等领域具有应用前景。

文章 | Li J, Lu XG, Li H et al. Racemic dielectric metasurfaces for arbitrary terahertz polarization rotation and wavefront manipulation. Opto-Electron Adv 7, 240075 (2024). 

第一作者:李杰

通信作者:徐航,肖书源,黄婉霞,沈云,姚建铨

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研究背景


手性是自然界中广泛存在的基本现象之一,描述了物质结构或形状的几何特征。大到宇宙星系分布,小到DNA结构,都表现出手性。一对手性异构体互为镜像结构而空间上无法完全重合,例如我们的双手。具有圆偏振态或螺旋波前等手性特征的光场将与手性物质发生奇异相互作用,如圆二色性及光学活性,被称为手性光学响应。手性超构材料及超构表面作为模拟自然手性物质的重要产物,其手性光学响应的频段及大小可定制,并且实现了负折射、手性相位等新奇物理现象,为手性光场调控乃至新型电磁功能器件的设计提供了全新途径。

外消旋体是指包含等量对映异构体的混合物或化合物,其整体旋光性为零、对外不表现出手性,具有“隐藏”手性的特征,在复合功能药物等方面具有重要应用。然而,等数量的异构体谐振单元是否也能像分子外消旋体一样构成“组合式”超构材料或超构表面,进而设计出具有外消旋特征的复合超构表面?由此可能引发的新奇超构光学现象与光场调控功能也有待研究。


本文亮点


针对上述问题,来自成都信息工程大学与天津大学等单位的联合研究团队在太赫兹波段验证了外消旋超构表面的可能性,实现了近场-远场电磁手性的分离,并展示了基于该结构的多维度太赫兹波调控。该工作以“Racemic dielectric metasurfaces for arbitrary terahertz polarization rotation and wavefront manipulation”为题发表在Opto-Electronic Advances(OEA, 光电进展)2024年第10期。

为了进行外消旋复合结构的设计,研究团队首先经过参数优化得到了C2对称的全硅类 “Z”形手性超原子,并对其圆偏振光谱响应、手性近场分布进行了仿真分析,同时利用偏振分辨的太赫兹时域光谱系统测试了样品透射谱。结果表明,该结构同时具备高效的透射圆二色性和稳定的手性Pancharatnam‐Berry相位,如图1所示。

图1. 手性超原子特性分析。(a, b) 对映异构体的圆偏振透射谱实验结果;(c) 不同旋转角度超原子的透射谱;(d) 在1 THz工作频率下,具有不同旋转角度的手性超原子透射振幅和Pancharatnam‐Berry相位;(e) 不同旋转角度超原子在左、右旋圆偏振太赫兹波激发下的局域电场。

在此基础上,研究团队将一对具有镜像对称关系的异构体超原子进行了交叉组合,通过仿真计算分析了复合结构的远场外消旋特性及近场手性,验证了其“隐藏”手性的功能。外消旋设计的意义不仅仅在于“消旋”,更在于进一步改进以实现新颖的应用。团队在异构体超原子之间引入了Pancharatnam‐Berry相位,利用正交圆偏振分量的等幅叠加以控制透射太赫兹波的偏振方向,即实现定制化旋光效应。经过简要理论分析可知,透射波偏振面旋转的角度刚好等于异构体间的相对旋转角,这为太赫兹波的偏振操控提供了便利途径。相关结果如图2所示。

图2. 外消旋复合结构及其改进设计。(a-c) 手性异构体及复合结构透射圆二色性仿真结果;(d-f) 三种结构在1THz处的圆偏振激发近场;(g-i) 异构体相对旋转角对透射波偏振的调控规律。

不仅如此,研究团队还在组合单元之间也引入了Pancharatnam‐Berry相位,旨在对透射波的偏振态和波前形状同时进行设计。以两对异构体组合而成的复合结构作为一个相位像素,设计了30×30像素的聚焦相位轮廓,即包含60×60个手性超原子。最后,团队制备了上述超表面样品,并利用太赫兹焦平面成像系统及探针式太赫兹时域光谱系统分别测试了透射波束的电场复振幅,进一步验证了器件的太赫兹波复合调控功能。仿真及实验结果如图3所示。

图3. 复合结构超表面的偏振-波前调控功能。(a, b) 组合单元之间的几何相位引入;(c) 聚焦波前设计;(d-f) 超表面功能的仿真结果;(g-i) 超表面功能的实验结果;(j) 探针式太赫兹时域光谱系统示意图。

该工作以异构手性超原子的外消旋组合实现了近场-远场太赫兹手性的有效分离,并在此基础上通过引入超原子之间、复合结构之间的两阶Pancharatnam‐Berry相位完成了透射太赫兹波偏振、波前控制的一体化设计,在手性物质波谱检测、太赫兹成像等领域具有应用前景。此外,所展示的设计思路还可以推广到其他电磁波段。

该工作得到四川省科技计划(Nos. 2023ZYD0020, 2022Z091),国家自然科学基金(Nos. 62201378, 12364045, 12304420)以及江西省科技计划(Nos. 20232BAB211025, 20232BAB201040)的支持。合作者天津大学姚建铨院士、徐航博士、张雅婷教授等提供了理论指导;四川大学黄婉霞教授团队、首都师范大学张岩教授团队、南昌大学肖书源研究员团队及沈云教授团队提供了样品加工及测试帮助;同时,成都信息工程大学唐婷婷教授、罗莉教授也提供了重要修改建议。



作者简介



李杰,博士,2022年毕业于天津大学精仪学院,师从姚建铨院士,现为成都信息工程大学“微纳光学与智能传感”团队教师。近年来从事太赫兹人工微结构器件领域的研究工作,主持或主研国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、四川省科技厅项目等多项课题;申请国家发明专利10余件,以第一或通讯作者在Laser & Photonics Reviews, Photonics Research,Science China-Physics Mechanics & Astronomy等高水平SCI期刊发表文章20余篇,被引3000余次。曾获第九届“中国光学工程学会科学技术奖”、天津市自然科学二等奖、天津大学优秀博士学位论文等荣誉。受邀在国际、国内学术会议上作口头报告10余次,担任多个国际期刊审稿人。



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Opto-Electronic Advances (OEA,光电进展) 是一本同行评议的英文学术月刊,创刊于2018年3月,已被SCI、EI、Scopus、DOAJ、CA和ICI等数据库收录,影响因子15.3,位于JCR Q1区,中科院一区。由中国科学院主管,中国科学院光电技术研究所主办并出版,面向全球发行。OEA主要报道光电领域的前沿创新科研成果。期刊栏目包括原创论文、综述和快讯等,欢迎投稿!

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编辑 | 曾晚婷 张诗杰

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