北京理工大學在光場調控研究方面取得重要進展
發布日期：2020-02-27 供稿：物理學院
編輯：周格羽 審核：姚裕貴 閱讀次數：
日前，北京理工大學物理學院張向東教授課題組基于光子晶體結構理論設計和實驗制備出了一種新類型的外點(exceptional point), 可以被稱作輻射矢量外點。不同于以前外點的構造方式，他們構造出的外點由一對正交極化模式形成，具有矢量特征。這種類型的外點能夠產生超強的手征光場，可用于分子手性超敏感探測。相關研究成果發表在近期的《物理評論快報》【Phys. Rev. Lett. 124, 083901 (2020)】上，該工作得到了國家自然科學基金委和國家重點研發計劃的資助。博士生吳桐和張蔚暄負責理論方面的內容，博士后張慧珍負責樣品制備和測量方面的工作，他們為共同第一作者，張向東教授為通訊作者。博士生候賽賽和陳光遠也參與了一些實驗測量方面的工作。在完成這項工作的過程中得到了物理學院劉瑞斌教授、路翠翠特聘副研究員、李家方教授和王榮瑤教授的幫助，同時也得到了合作單位中科院物理所李俊杰研究員、復旦大學資劍教授和石磊教授課題組以及國家納米科學中心段鵬飛研究員的幫助。
自然界中很多分子都具有手性，分子的手性決定了它們的物理和化學性質。因此，分子手性的有效探測和表征對醫療、制藥、生物化學等領域的發展至關重要。常用的全光分子手性探測是基于電磁場與手性分子相互作用發展出的譜探測方案，如圓二色譜、旋光光譜、振動圓二色譜以及拉曼光活性譜等。但由于分子的手性信號比較弱，這些探測技術存在探測靈敏度低的問題。為了測量到可靠的信號，通常要求樣品具有較高的濃度，同時測量時間很長。如何提高分子手性探測的效率和精度成了近年來研究的重要課題。
研究顯示：基于微納結構增強光與分子之間的手性相互作用，進而實現表面增強的分子手性探測是非常有前景的發展方向。為了實現最優的全光手性探測平臺，所設計的微納結構需要滿足以下三個要求：1. 可以產生強且空間均勻分布的具有手征特性的光場，稱其為超手征光場(Superchiral fields)；2. 微納結構本身不具有手性以避免其掩蓋分手的手性信號；3. 微納結構的光學損耗應盡可能的小，以避免熱效應對分子構型的影響。同時滿足這三方面的要求并不容易，因此，目前人們還沒有設計出理想的微納結構來實現高效的表面增強的分子手性探測方案。
該工作顯示，基于低損耗的光學微納結構所產生的矢量奇異點能實現上述三方面的要求。奇異點（Exceptional Point）是非厄米系統中的能量簡并點。與厄米系統相對應，非厄米系統是指體系的特征矩陣經過轉置共軛操作之后不等于其本身。當系統處于奇異點時，系統多個本征態會塌縮成一個，使得本征態不再完備，由此會產生一些有趣的行為。最近人們已在不同的光學系統中設計出了外點，并證明其可以實現不同尋常的特性，如實現單模激光等。然而，目前人們所設計出的外點均是通過耦合具有相同偏振的模式獲得的，并不能產生具有手征特性的光場。為了解決這一問題，該工作設計了光子晶體薄板結構，其能使兩個偏振正交的布洛赫模式塌縮成奇異點?；谶@一矢量奇異點，研究者成功調控出具有強手征特性的光場，并且對環境非常敏感。將其用于分子手性探測，具有探測靈敏度高，熱效應小的優勢。同時所設計的微納結構只有100um*100um便于集成, 為生物芯片的研制提供了新途徑。
下面圖1提供了矢量外點的理論設計及計算結果；圖2展現了實驗測量結果；圖3描述了基于矢量外點產生的強超手征光場。
圖1 理論設計矢量外點及計算結果
圖2 實驗證明矢量外點
圖3 基于矢量外點產生強超手征光場
該工作發表于物理學頂級期刊《Physical Review Letters》：Tong Wu#, Weixuan Zhang#, Huizhen Zhang#, Saisai Hou, Guangyuan Chen, Ruibin Liu, Cuicui Lu, Jiafang Li, Rongyao Wang, Pengfei Duan, Junjie Li, Bo Wang, Lei Shi, Jian Zi, and Xiangdong Zhang*，“Vector Exceptional Points with Strong Superchiral Fields”，Physical Review Letters 124, 083901 (2020)； 文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.083901
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