近日，哈工大(深圳)材料科学与工程学院肖淑敏教授与中国科学技术大学陈杨教授、新加坡国立大学仇成伟教授共同合作，在微纳光学与手性光学的交叉领域取得重要进展，研究成果以“Observation of intrinsic chiral bound states in the continuum”为题发表在全球顶尖期刊《自然》(Nature)上。　

　　据介绍，手性(Chirality)是自然界的基本属性，当一个物体无法通过旋转、平移等操作与其镜像体相重合时，该物体即具有手性。手性在自然界中广泛存在，从我们的双手双脚到宇宙中的星系。近些年，随着光学超表面(metasurfaces)领域的发展，手性超表面也得到了广泛关注与研究，其主要利用构成单元(meta-atoms)的手性微纳结构在亚波长尺度上产生很强的手性光学响应。结合光学超表面高集成度和增强光与物质相互作用的特点，手性超表面在手性光发射、生物检测、偏振光调制等应用领域具有重大潜力。然而现有研究的手性超表面，无论是基于等离激元还是介质结构，产生的CD(Circular Dichroism)信号依旧不强，更重要的是谐振峰的品质因子(Q)不高，导致内在的光与物质手性相互作用有限。连续域中束缚态(bound state in the continuum, BIC)作为一种存在于可辐射连续光谱却仍然保持局域化的电磁本征态，具有Q值极大、光与物质相互作用极强等特点。而手性连续域中束缚态(chiral BIC)则表现为与一种自旋方向的圆偏振光完全解耦，而与另一种自旋方向的圆偏振光发生强相互作用，同时产生最大的圆二色谱(CD = 1)和极高的品质因子。尽管一些国际知名研究组先后从理论上提出了chiral BIC的实现方案，但由于结构设计难以在实验上实现，这些工作仍停留在理论阶段，具有内禀手性的连续域中束缚态在光学频段的实现与观测依旧是该领域研究的热点和难点。

　　由此，本文提出具有高品质因子的连续域中的束缚态(BIC)模式通过对其对称性引入微扰来操控C点在动量空间的位置，以将平面结构中的外在手性演化为固有手性。提出的结构从垂直的方形纳米孔阵列出发，同时引入面内形变和面外倾斜来打破所有的镜面对称以实现固有手性，同时由BIC模式演变为准BIC模式仍保持较高的品质因子。

　　为了分析对单元结构的微扰将如何影响内禀手性的产生，研究者发展了一种基于近远场光学手性守恒的微观模型。模式的近场手性可以用光学手性密度 (OCD，Optical Circular Dichroism)衡量，由于OCD是一个奇宇称(parity-odd)的标量，结构的面外镜面对称会使得OCD在对称面两侧呈反对称分布，所以当仅引入面内面内微扰，OCD在近场具有反对称分布而互相抵消，模式的圆场也不会具有手性。而当面内和面外微扰同时引入时，OCD在近场的反对称分布被打破，非零的OCD辐射到远场产生手性辐射，辐射场的圆偏度随OCD的大小变化。

　　根据上述分析，本文设计并实验制备了准BIC手性超表面，是在玻璃衬底上的氧化钛薄膜上刻蚀倾斜的梯形孔形成的四方阵列，通过同时引入面内微扰α和面外微扰φ，来实现非零的OCD，并且需要协同设计面内扰动α和面外扰动φ来实现最大手性。通过计算TM1-quasi-BIC的本征偏振在动量空间的分布，发现引入面内扰动α会使得代表BIC模式的偏振奇点V分裂成两个具有相反圆偏振的C点(即C-和C+)，而引入面外扰动φ则会引起整个偏振分布向一侧平移，当α和φ取到一组适当值时(如α=0.12，φ=0.1)，C+点恰好移到动量空间的Γ点上，即实现了chiral BIC，仿真和实验得到的角分辨透射谱也验证了chiral BIC的实现。

　　图1 (a)对于不同 α 和 φ 的超表面，C 点在 k 空间上的演化。其中椭圆偏振由对应于右手或左手状态的红色或蓝色椭圆表示，而黑线表示线性偏振。(b)制备在玻璃基底上的倾斜氧化钛梯形孔阵列，其中α=0.12，φ=0.1. (c)测量得到的样品在圆偏基上的反射矩阵分量，Q值达2663，CD值为0.93。(d)从模拟(上)和实验(下)获得的 LCP(左)和 RCP(右)入射下超表面的角度分辨透射光谱。

　　该研究首次实验实现并观测了具有内禀手性的连续域中束缚态(intrinsic chiral BIC)，同时得到了高达0.93的CD值和高达2663的Q值，作者还基于微观模型和手性光学的一般性模型揭示了intrinsic chiral BIC的产生机理和设计方法。

　　该论文的第一作者是中国科学技术大学的陈杨教授(原新加坡国立大学博士后)、哈工大(深圳)博士研究生邓画春、沙新博以及新加坡国立大学陈伟锦博士，通讯作者是哈工大(深圳)肖淑敏教授和新加坡国立大学仇成伟教授。该项研究得到了国家自然科学基金委、科技部、深圳市科创委、微纳光电信息系统理论与技术工信部重点实验室等的支持。

　　文、图 | 材料科学与工程学院

　　中国教育在线 林剑 通讯员 谢梁晖 王舒邈