北京理工大學(xué)在光場(chǎng)調(diào)控研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2020-02-27 供稿：物理學(xué)院
編輯：周格羽 審核：姚裕貴 閱讀次數(shù)：
日前，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授課題組基于光子晶體結(jié)構(gòu)理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)制備出了一種新類型的外點(diǎn)(exceptional point), 可以被稱作輻射矢量外點(diǎn),。不同于以前外點(diǎn)的構(gòu)造方式,，他們構(gòu)造出的外點(diǎn)由一對(duì)正交極化模式形成,，具有矢量特征。這種類型的外點(diǎn)能夠產(chǎn)生超強(qiáng)的手征光場(chǎng),，可用于分子手性超敏感探測(cè),。相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的《物理評(píng)論快報(bào)》【Phys. Rev. Lett. 124, 083901 (2020)】上，該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助,。博士生吳桐和張蔚暄負(fù)責(zé)理論方面的內(nèi)容,，博士后張慧珍負(fù)責(zé)樣品制備和測(cè)量方面的工作，他們?yōu)楣餐谝蛔髡?，張向東教授為通訊作者,。博士生候賽賽和陳光遠(yuǎn)也參與了一些實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面的工作。在完成這項(xiàng)工作的過程中得到了物理學(xué)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(shí)也得到了合作單位中科院物理所李俊杰研究員,、復(fù)旦大學(xué)資劍教授和石磊教授課題組以及國(guó)家納米科學(xué)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(xué)性質(zhì),。因此,，分子手性的有效探測(cè)和表征對(duì)醫(yī)療、制藥,、生物化學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要,。常用的全光分子手性探測(cè)是基于電磁場(chǎng)與手性分子相互作用發(fā)展出的譜探測(cè)方案，如圓二色譜,、旋光光譜,、振動(dòng)圓二色譜以及拉曼光活性譜等。但由于分子的手性信號(hào)比較弱,，這些探測(cè)技術(shù)存在探測(cè)靈敏度低的問題,。為了測(cè)量到可靠的信號(hào)，通常要求樣品具有較高的濃度,，同時(shí)測(cè)量時(shí)間很長(zhǎng),。如何提高分子手性探測(cè)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(jié)構(gòu)增強(qiáng)光與分子之間的手性相互作用,，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)表面增強(qiáng)的分子手性探測(cè)是非常有前景的發(fā)展方向,。為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的全光手性探測(cè)平臺(tái)，所設(shè)計(jì)的微納結(jié)構(gòu)需要滿足以下三個(gè)要求：1. 可以產(chǎn)生強(qiáng)且空間均勻分布的具有手征特性的光場(chǎng)，稱其為超手征光場(chǎng)(Superchiral fields),；2. 微納結(jié)構(gòu)本身不具有手性以避免其掩蓋分手的手性信號(hào),；3. 微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)損耗應(yīng)盡可能的小，以避免熱效應(yīng)對(duì)分子構(gòu)型的影響,。同時(shí)滿足這三方面的要求并不容易,，因此，目前人們還沒有設(shè)計(jì)出理想的微納結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高效的表面增強(qiáng)的分子手性探測(cè)方案,。
該工作顯示,，基于低損耗的光學(xué)微納結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的矢量奇異點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)上述三方面的要求。奇異點(diǎn)（Exceptional Point）是非厄米系統(tǒng)中的能量簡(jiǎn)并點(diǎn),。與厄米系統(tǒng)相對(duì)應(yīng),，非厄米系統(tǒng)是指體系的特征矩陣經(jīng)過轉(zhuǎn)置共軛操作之后不等于其本身。當(dāng)系統(tǒng)處于奇異點(diǎn)時(shí),，系統(tǒng)多個(gè)本征態(tài)會(huì)塌縮成一個(gè),，使得本征態(tài)不再完備，由此會(huì)產(chǎn)生一些有趣的行為,。最近人們已在不同的光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)出了外點(diǎn),，并證明其可以實(shí)現(xiàn)不同尋常的特性，如實(shí)現(xiàn)單模激光等,。然而,，目前人們所設(shè)計(jì)出的外點(diǎn)均是通過耦合具有相同偏振的模式獲得的，并不能產(chǎn)生具有手征特性的光場(chǎng),。為了解決這一問題,，該工作設(shè)計(jì)了光子晶體薄板結(jié)構(gòu)，其能使兩個(gè)偏振正交的布洛赫模式塌縮成奇異點(diǎn),?；谶@一矢量奇異點(diǎn)，研究者成功調(diào)控出具有強(qiáng)手征特性的光場(chǎng),，并且對(duì)環(huán)境非常敏感,。將其用于分子手性探測(cè)，具有探測(cè)靈敏度高,，熱效應(yīng)小的優(yōu)勢(shì),。同時(shí)所設(shè)計(jì)的微納結(jié)構(gòu)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(diǎn)的理論設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果,；圖2展現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果；圖3描述了基于矢量外點(diǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)超手征光場(chǎng),。
圖1 理論設(shè)計(jì)矢量外點(diǎn)及計(jì)算結(jié)果
圖2 實(shí)驗(yàn)證明矢量外點(diǎn)
圖3 基于矢量外點(diǎn)產(chǎn)生強(qiáng)超手征光場(chǎng)
該工作發(fā)表于物理學(xué)頂級(jí)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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