北京理工大學(xué)在光場調(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
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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(gòu)造方式，他們構(gòu)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(chǎn)生超強(qiáng)的手征光場，可用于分子手性超敏感探測。相關(guān)研究成果發(fā)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(xué)基金委和國家重點研發(fā)計劃的資助。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)樣品制備和測量方面的工作，他們?yōu)楣餐谝蛔髡撸瑥埾驏|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(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和表征對醫(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是基于電磁場與手性分子相互作用發(fā)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(shù)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(jié)構(gòu)增強(qiáng)光與分子之間的手性相互作用，進(jìn)而實現(xiàn)表面增強(qiáng)的分子手性探測是非常有前景的發(fā)展方向。為了實現(xiàn)最優(yōu)的全光手性探測平臺，所設(shè)計的微納結(jié)構(gòu)需要滿足以下三個要求：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，稱其為超手征光場(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；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)對分子構(gòu)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(shè)計出理想的微納結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高效的表面增強(qiáng)的分子手性探測方案。
該工作顯示，基于低損耗的光學(xué)微納結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的矢量奇異點能實現(xiàn)上述三方面的要求。奇異點（Exceptional Point）是非厄米系統(tǒng)中的能量簡并點。與厄米系統(tǒng)相對應(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)處于奇異點時，系統(tǒng)多個本征態(tài)會塌縮成一個，使得本征態(tài)不再完備，由此會產(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)計出了外點，并證明其可以實現(xiàn)不同尋常的特性，如實現(xiàn)單模激光等。然而，目前人們所設(shè)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(chǎn)生具有手征特性的光場。為了解決這一問題，該工作設(shè)計了光子晶體薄板結(jié)構(gòu)，其能使兩個偏振正交的布洛赫模式塌縮成奇異點。基于這一矢量奇異點，研究者成功調(diào)控出具有強(qiáng)手征特性的光場，并且對環(huán)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(yīng)小的優(yōu)勢。同時所設(shè)計的微納結(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提供了矢量外點的理論設(shè)計及計算結(jié)果；圖2展現(xiàn)了實驗測量結(jié)果；圖3描述了基于矢量外點產(chǎn)生的強(qiáng)超手征光場。
圖1 理論設(shè)計矢量外點及計算結(jié)果
圖2 實驗證明矢量外點
圖3 基于矢量外點產(chǎn)生強(qiáng)超手征光場
該工作發(fā)表于物理學(xué)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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