近日，哈工大(深圳)材料科學與工程學院肖淑敏教授與中國科學技術大學陳楊教授、新加坡國立大學仇成偉教授共同合作，在微納光學與手性光學的交叉領域取得重要進展，研究成果以“Observation of intrinsic chiral bound states in the continuum”為題發表在全球頂尖期刊《自然》(Nature)上。　

　　據介紹，手性(Chirality)是自然界的基本屬性，當一個物體無法通過旋轉、平移等操作與其鏡像體相重合時，該物體即具有手性。手性在自然界中廣泛存在，從我們的雙手雙腳到宇宙中的星係。近些年，隨著光學超表麵(metasurfaces)領域的發展，手性超表麵也得到了廣泛關注與研究，其主要利用構成單元(meta-atoms)的手性微納結構在亞波長尺度上產生很強的手性光學響應。結合光學超表麵高集成度和增強光與物質相互作用的特點，手性超表麵在手性光發射、生物檢測、偏振光調製等應用領域具有重大潛力。然而現有研究的手性超表麵，無論是基於等離激元還是介質結構，產生的CD(Circular Dichroism)信號依舊不強，更重要的是諧振峰的品質因子(Q)不高，導致內在的光與物質手性相互作用有限。連續域中束縛態(bound state in the continuum, BIC)作為一種存在於可輻射連續光譜卻仍然保持局域化的電磁本征態，具有Q值極大、光與物質相互作用極強等特點。而手性連續域中束縛態(chiral BIC)則表現為與一種自旋方向的圓偏振光完全解耦，而與另一種自旋方向的圓偏振光發生強相互作用，同時產生最大的圓二色譜(CD = 1)和極高的品質因子。盡管一些國際知名研究組先後從理論上提出了chiral BIC的實現方案，但由於結構設計難以在實驗上實現，這些工作仍停留在理論階段，具有內稟手性的連續域中束縛態在光學頻段的實現與觀測依舊是該領域研究的熱點和難點。

　　由此，本文提出具有高品質因子的連續域中的束縛態(BIC)模式通過對其對稱性引入微擾來操控C點在動量空間的位置，以將平麵結構中的外在手性演化為固有手性。提出的結構從垂直的方形納米孔陣列出發，同時引入麵內形變和麵外傾斜來打破所有的鏡麵對稱以實現固有手性，同時由BIC模式演變為準BIC模式仍保持較高的品質因子。

　　為了分析對單元結構的微擾將如何影響內稟手性的產生，研究者發展了一種基於近遠場光學手性守恒的微觀模型。模式的近場手性可以用光學手性密度 (OCD，Optical Circular Dichroism)衡量，由於OCD是一個奇宇稱(parity-odd)的標量，結構的麵外鏡麵對稱會使得OCD在對稱麵兩側呈反對稱分布，所以當僅引入麵內麵內微擾，OCD在近場具有反對稱分布而互相抵消，模式的圓場也不會具有手性。而當麵內和麵外微擾同時引入時，OCD在近場的反對稱分布被打破，非零的OCD輻射到遠場產生手性輻射，輻射場的圓偏度隨OCD的大小變化。

　　根據上述分析，本文設計並實驗製備了準BIC手性超表麵，是在玻璃襯底上的氧化鈦薄膜上刻蝕傾斜的梯形孔形成的四方陣列，通過同時引入麵內微擾α和麵外微擾φ，來實現非零的OCD，並且需要協同設計麵內擾動α和麵外擾動φ來實現最大手性。通過計算TM1-quasi-BIC的本征偏振在動量空間的分布，發現引入麵內擾動α會使得代表BIC模式的偏振奇點V分裂成兩個具有相反圓偏振的C點(即C-和C+)，而引入麵外擾動φ則會引起整個偏振分布向一側平移，當α和φ取到一組適當值時(如α=0.12，φ=0.1)，C+點恰好移到動量空間的Γ點上，即實現了chiral BIC，仿真和實驗得到的角分辨透射譜也驗證了chiral BIC的實現。

　　圖1 (a)對於不同 α 和 φ 的超表麵，C 點在 k 空間上的演化。其中橢圓偏振由對應於右手或左手狀態的紅色或藍色橢圓表示，而黑線表示線性偏振。(b)製備在玻璃基底上的傾斜氧化鈦梯形孔陣列，其中α=0.12，φ=0.1. (c)測量得到的樣品在圓偏基上的反射矩陣分量，Q值達2663，CD值為0.93。(d)從模擬(上)和實驗(下)獲得的 LCP(左)和 RCP(右)入射下超表麵的角度分辨透射光譜。

　　該研究首次實驗實現並觀測了具有內稟手性的連續域中束縛態(intrinsic chiral BIC)，同時得到了高達0.93的CD值和高達2663的Q值，作者還基於微觀模型和手性光學的一般性模型揭示了intrinsic chiral BIC的產生機理和設計方法。

　　該論文的第一作者是中國科學技術大學的陳楊教授(原新加坡國立大學博士後)、哈工大(深圳)博士研究生鄧畫春、沙新博以及新加坡國立大學陳偉錦博士，通訊作者是哈工大(深圳)肖淑敏教授和新加坡國立大學仇成偉教授。該項研究得到了國家自然科學基金委、科技部、深圳市科創委、微納光電信息係統理論與技術工信部重點實驗室等的支持。

　　文、圖 | 材料科學與工程學院

　　beplay2网页登录 林劍 通訊員 謝梁暉 王舒邈