北京理工大学在光场调控研究方面取得重要进展

内容来源：北京理工大学

　　日前，北京理工大学物理学院张向东教授课题组基于光子晶体结构理论设计和实验制备出了一种新类型的外点(exceptional point), 可以被称作辐射矢量外点。不同于以前外点的构造方式，他们构造出的外点由一对正交极化模式形成，具有矢量特征。这种类型的外点能够产生超强的手征光场，可用于分子手性超敏感探测。相关研究成果发表在近期的《物理评论快报》【Phys. Rev. Lett. 124, 083901 (2020)】上，该工作得到了国家自然科学基金委和国家重点研发计划的资助。

博士生吴桐和张蔚暄负责理论方面的内容，博士后张慧珍负责样品制备和测量方面的工作，他们为共同第一作者，张向东教授为通讯作者。博士生候赛赛和陈光远也参与了一些实验测量方面的工作。在完成这项工作的过程中得到了物理学院刘瑞斌教授、路翠翠特聘副研究员、李家方教授和王荣瑶教授的帮助，同时也得到了合作单位中科院物理所李俊杰研究员、复旦大学资剑教授和石磊教授课题组以及国家纳米科学中心段鹏飞研究员的帮助。

　　自然界中很多分子都具有手性，分子的手性决定了它们的物理和化学性质。因此，分子手性的有效探测和表征对医疗、制药、生物化学等领域的发展至关重要。常用的全光分子手性探测是基于电磁场与手性分子相互作用发展出的谱探测方案，如圆二色谱、旋光光谱、振动圆二色谱以及拉曼光活性谱等。但由于分子的手性信号比较弱，这些探测技术存在探测灵敏度低的问题。为了测量到可靠的信号，通常要求样品具有较高的浓度，同时测量时间很长。如何提高分子手性探测的效率和精度成了近年来研究的重要课题。

　　研究显示：基于微纳结构增强光与分子之间的手性相互作用，进而实现表面增强的分子手性探测是非常有前景的发展方向。为了实现最优的全光手性探测平台，所设计的微纳结构需要满足以下三个要求：1. 可以产生强且空间均匀分布的具有手征特性的光场，称其为超手征光场(Superchiral fields)；2. 微纳结构本身不具有手性以避免其掩盖分手的手性信号；3. 微纳结构的光学损耗应尽可能的小，以避免热效应对分子构型的影响。同时满足这三方面的要求并不容易，因此，目前人们还没有设计出理想的微纳结构来实现高效的表面增强的分子手性探测方案。

　　该工作显示，基于低损耗的光学微纳结构所产生的矢量奇异点能实现上述三方面的要求。奇异点（Exceptional Point）是非厄米系统中的能量简并点。与厄米系统相对应，非厄米系统是指体系的特征矩阵经过转置共轭操作之后不等于其本身。当系统处于奇异点时，系统多个本征态会塌缩成一个，使得本征态不再完备，由此会产生一些有趣的行为。最近人们已在不同的光学系统中设计出了外点，并证明其可以实现不同寻常的特性，如实现单模激光等。然而，目前人们所设计出的外点均是通过耦合具有相同偏振的模式获得的，并不能产生具有手征特性的光场。为了解决这一问题，该工作设计了光子晶体薄板结构，其能使两个偏振正交的布洛赫模式塌缩成奇异点。基于这一矢量奇异点，研究者成功调控出具有强手征特性的光场，并且对环境非常敏感。将其用于分子手性探测，具有探测灵敏度高，热效应小的优势。同时所设计的微纳结构只有100um*100um便于集成, 为生物芯片的研制提供了新途径。

　　该工作发表于物理学顶级期刊《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)； 文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.083901