在既不具有三维也不具有二维手性的非手性平面超材料中，研究者们观察到了强烈的光学活性现象，表现为在微波和光谱部分的斜入射下，规则排列的非手性亚波长超分子阵列展现出与手性三维介质无法区分的圆二色性和双折射特性，这一效应源于超材料与入射光波矢之间的外在手性相互作用，为新型光学器件的开发提供了新思路.
研究背景
这篇文章的研究背景主要涉及光学活性和超材料领域。光学活性是指物质能够改变光的偏振态的能力，这一现象传统上与有机分子、蛋白质和无机结构的手性（即镜像不对称性）相关。光学活性在分析化学、晶体学、分子生物学等领域具有重要意义，并且是用于在太空任务中探测生命形式的标志性效应。近年来，随着超材料研究的兴起，人们开始探索在人工结构中实现光学活性的可能性。超材料是一类具有特殊电磁响应的人工材料，其独特的结构和组成使其能够表现出自然界中不存在的光学特性。在超材料领域，研究者们致力于开发具有强光学活性的新型材料，以实现对光的偏振态进行有效调控。这种研究不仅有助于推动光子学和光学器件的发展，还可能为新型光学传感器和通信技术提供新的解决方案。
研究内容
这篇文章报道了在非手性平面超材料中观察到的光学活性现象，揭示了即使在缺乏三维或二维手性的情况下，通过超材料与入射光波矢之间的外在手性相互作用，也能在微波和光谱部分的斜入射下实现显著的圆二色性和双折射效应，类似于手性三维介质的表现。研究结果不仅为光学活性的理解提供了新的视角，还为开发新型高效的偏振旋转器、调制器和振动传感器等光学器件，以及探索新型负折射率超材料提供了重要的理论和实验基础.
以下是关键图解：
展示了基于非手性平面超材料的光学活性和圆二色性现象。图 (a) 中，非手性超材料由不对称分裂环阵列构成，在光斜入射时表现出光学活性，其中不对称方向由极性向量 s 表示。当超材料平面绕 x 轴倾斜，使得样品法向 n 和入射波矢 k 形成角度 α ≠ 0 时，会出现光学活性。图 (b) 和 (c) 分别展示了微波超材料和光子超材料的单元结构，前者为 1 mm 厚铝板上的不对称分裂环孔洞，后者为 50 nm 厚铝线置于 500 μm 厚玻璃基底上的结构.
测量了不同倾斜角度 α 下微波超材料和光子结构的圆双折射和圆二色性。图 (a) 为微波超材料的结果，使用宽带喇叭天线和矢量网络分析仪在消声室中测量；图 (b) 为光子结构的结果，使用线性偏振片和超色散波片在微光谱光度计中测量。结果显示，在超材料阵列正入射时（α = 0°）没有圆双折射或圆二色性；相反方向的相同倾斜角度会产生相反符号的圆二色性和圆双折射.
解释了非手性分裂线环中光学活性的微观机制。图 (a) 展示了沿分裂方向极化的波在环的上下拱形中诱导出不等的振荡电流，这些电流可以表示为对称和反对称电流的和，分别对应于环平面内的诱导电偶极子 d 和垂直于环平面的磁偶极子 m。图 (d) 至 (f) 考虑了波斜入射到结构上的情况，蓝色、红色和绿色实心箭头分别代表波矢 k 和诱导的磁偶极子 m 和电偶极子 d，虚线箭头显示了相应偶极矩在垂直于波矢平面的投影。当分裂方向不垂直于入射平面时，结构表现出光学活性，最大光学活性出现在分裂方向平行于入射平面时，此时波矢和诱导的磁电偶极子共面.
展示了微波超材料在 30° 入射角下的相位延迟、透射强度和圆偏振转换效率。图 (a) 中，透射的左旋和右旋圆偏振波的相位延迟色散图显示，在阴影区域频率范围内，右旋圆偏振的相位速度 vp 和群速度 vg 符号相反，表明出现了后向波。图 (b) 为左旋和右旋圆偏振波的透射强度，图 (c) 为圆偏振转换效率，直接反映了材料响应的各向异性（线性双折射），在该频率范围内，圆偏振转换效率较低，表明线性各向异性几乎消失.
结论
这篇文章报道了一种新型的光学活性现象，即在既不具有三维也不具有二维手性的非手性平面超材料中观察到了强烈的光学活性。研究者们通过实验发现，在微波和光谱部分的斜入射下，规则排列的非手性亚波长超分子阵列表现出与手性三维介质无法区分的圆二色性和双折射特性。这一现象的产生是由于超材料与入射光波矢之间的外在手性相互作用，为开发新型高效偏振旋转器和调制器以及振动传感器等光学器件提供了新的思路，并可能催生一类新型的负折射率超材料.
