來了，它來了！

繼1月4日中科大新年首篇合作Nature，1月11日中科大新年首篇第一通訊單位(重磅！中科大2023年首篇第一單位Nature！)的Nature之后，1月18日中科大再迎新年第二篇第一單位Nature。

什么，太繞了？簡單說就是2023年中科大已發(fā)表3篇Nature，1篇共同通訊單位，2篇第一單位。

自旋角動量的光子具有固有的手性，它是非線性光學、量子光學、拓撲光子學和手性等許多現(xiàn)象的基礎(chǔ)。固有手性在自然材料中很弱，最近的理論建議旨在通過支持連續(xù)介質(zhì)中束縛態(tài)的共振超表面來擴大圓二色性，這大大增強了手性光-物質(zhì)相互作用。

這些富有洞察力的作品訴諸于三維復(fù)雜的幾何圖形，這對于光學頻率來說太具有挑戰(zhàn)性了。因此，大多數(shù)顯示強圓二色性的實驗嘗試，都依賴于斜入射或結(jié)構(gòu)各向異性的假/外在手性。

在此，來自中國科學技術(shù)大學&新加坡國立大學的陳楊(第一單位第一作者)&哈爾濱工業(yè)大學的肖淑敏&新加坡國立大學的仇成偉等研究者報告了真實/固有手性響應(yīng)與共振超表面的實驗實現(xiàn)，其中工程傾斜幾何打破了面內(nèi)和面外對稱性。

相關(guān)論文以題為“Observation of intrinsic chiral bound states in the continuum”于2023年01月18日發(fā)表在Nature上。

手性是自然界的一個基本特征，指的是缺乏鏡面反射對稱性的物體的幾何屬性。為了評價一個物體的手性，通常采用以圓二色性為表現(xiàn)形式的電磁手性，基于物體與不同手性的電磁場之間的微分相互作用。

然而，研究發(fā)現(xiàn)，具有面外鏡對稱的平面結(jié)構(gòu)(不被認為是手性的)，仍然可以通過引入結(jié)構(gòu)各向異性或斜入射表現(xiàn)出強烈的CD信號。

在這些情況下，CD的振幅不能測量物體的“真手性”或“固有手性”，但它起源于各向異性誘導的極化轉(zhuǎn)換或?qū)嶒炑b置的手性構(gòu)型，這些通常被稱為“假手性”或“外在手性”。雖然假手性可以產(chǎn)生與真手性相似的CD信號，但其在手性發(fā)射和偏振光探測等一系列重要領(lǐng)域的應(yīng)用明顯受到限制。

除了固有的手性外，提高手性光-物質(zhì)相互作用強度的另一個關(guān)鍵參數(shù)是，相關(guān)共振的質(zhì)量(Q)因子。具有大固有手性的高Q共振，在手性發(fā)射、手性傳感和對映體分離等方面具有潛在的應(yīng)用價值，是人們長期以來所追求但尚未探索的問題。

手性超材料和超表面，可以產(chǎn)生強烈的手性響應(yīng)，但由于具有較大的輻射和非輻射損失，它們實現(xiàn)的Q因子仍然很低，通常小于200。

近年來，連續(xù)介質(zhì)中束縛態(tài)的物理學已被應(yīng)用于光子學中，以實現(xiàn)和設(shè)計高Q共振。當BIC獲得內(nèi)在手性時，所得到的手性BIC可以在不涉及外在手性的情況下，同時產(chǎn)生高Q因子和強CDs。

正如之前的理論工作所指出的那樣，實現(xiàn)手性BIC的關(guān)鍵是打破結(jié)構(gòu)的所有鏡像對稱，這阻礙了其實驗實現(xiàn)。研究者已經(jīng)見證了許多打破面內(nèi)或面外鏡像對稱的方法，但剩余的對稱面仍然阻止了固有手性BICs的生成。測量到的高-Q CD共振，不可避免地歸因于斜入射或極化轉(zhuǎn)換的假手性。

在此，研究者報道了基于斜擾動超表面新范式的本征手性BICs的光學實現(xiàn)。超表面由TiO₂薄膜上的傾斜梯形納米孔的方形陣列組成，該薄膜被放置在玻璃基板上并覆蓋PMMA(圖1a)。通過引入兩種類型的擾動，即面內(nèi)形變角α和面外斜角φ，該結(jié)構(gòu)從垂直方形納米孔演化而來，從而破壞了所有的鏡像對稱性。

超表面支持一系列Bloch模態(tài)(圖1b)，其模態(tài)分布如圖補充圖1所示。在不失一般性的前提下，研究者首先考慮基本橫磁模式(TM₁)。當不涉及擾動時(α = 0， φ = 0)，由于結(jié)構(gòu)的C_z²對稱性，它支持在布里淵帶Γ點的對稱保護BIC。由于時間反演對稱性，BICs的電磁場近場總是線性極化的，它們的分布相互抵消以阻止遠場輻射。

據(jù)研究者所知，他們的結(jié)果標志著在連續(xù)統(tǒng)中首次觀測到固有手性束縛態(tài)，其近單位圓二色度為0.93，可見頻率的高質(zhì)量因子超過2663。該手性超表面可能會在手性光源和探測器、手性傳感、谷電子學和不對稱光催化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖1. 斜擾動誘發(fā)固有手性的起源

圖2. 斜擾動超表面的設(shè)計、制造和表征

圖3. 實現(xiàn)手性BICs的幾何擾動之間的內(nèi)在聯(lián)系

圖4. 固有手性BICs獲得的巨大CD和Q因子

綜上所述，研究者首次通過實驗觀察到光學手性BICs，同時其具有高Q因子(Q = 2663)和接近一個單位的CD，值為0.93。研究者建立了一個基于局部自旋密度變化的微觀模型來解釋光學手性的起源。

雖然目前手性BIC超表面是在可見光譜中展示的，但這個概念是一般的，適用于紅外和更長的光譜，并在手性光源和探測器、手性傳感、量子光學和不對稱光催化等方面有廣闊的未來應(yīng)用前景。

陳楊，博士，中國科學技術(shù)大學工程學院特任教授，博士生導師。

2010年本科畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學近代物理系，2016年博士畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學精密儀器與機械系（導師：褚家如教授），之后在美國密蘇里科技大學（合作導師：Prof. Xiaodong Yang)和新加坡國立大學（合作導師：Prof. Chengwei Qiu)從事博士后研究員工作，于2021年9月加入中國科學技術(shù)大學，組建“納米光子器件與系統(tǒng)”研究組，主要研究方向包括：微納光學、微納光電器件、超表面與超材料等。

回國建組后以第一作者身份在Nature、Nature Nanotechnology、Physical Review Letters、Nature Reviews Physics等頂級期刊連續(xù)發(fā)表論文，受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。擔任Nano Letters、ACS Nano、Nanoscale以及OSA多個期刊的審稿人，并在CIOP、ICFM、MRM等國際學術(shù)會議作邀請報告

研究領(lǐng)域：微納光學，微納光電器件，超材料與超表面等。

肖淑敏，哈爾濱工業(yè)大學（深圳）教授。研究團隊主要從事基于半導體光學材料和器件的制備，涉及研究內(nèi)容包括微納米體系的數(shù)值建模、光刻或電子束曝光以及反應(yīng)離子刻蝕等的微納米制備技術(shù)、以及光學和電學表征技術(shù)。

近年來在國際刊物和會議上發(fā)表相關(guān)的優(yōu)秀原創(chuàng)論文百余篇（其中《Nature》1 篇，《Science》1 篇，《Nature Communications》9篇，《Science Advances》1篇, 《Advanced Materials》等高水平論文32篇，合著專著一部），多篇文章單篇他引超過200 次。研發(fā)技術(shù)達到了”華為XXX器件“的應(yīng)用要求并進入流片階段。

研究方向：集成光電子器件、半導體器件、納米光子學及超材料等新型光學材料和器

仇成偉，2003年畢業(yè)于中國科技大學獲學士學位，08年獲新加坡國立大學和巴黎高等電力聯(lián)合博士，08至09年底在麻省理工開展博士后研究，10年初在新國大開始助理教授的工作。

主要研究電磁波與物質(zhì)相互作用，納米光學光子晶體和光操控。利用超穎體材料和表面結(jié)構(gòu)和衍射光學來達到光的傳播方向，渦旋特性，衍射特性，和光學力的新型的操控。

仇成偉教授在國際著名期刊上發(fā)表論文100余篇，被學術(shù)界同行引用1000次以上（排除自引和其他coauthor交叉引用）；其中有多篇為頂級期刊，如Physical Review Letters（4篇，其中3篇為通訊作者）, Nature Communications （3篇，其中1篇為通訊作者）, Nature Photonics（1篇，為通訊作者）, Advanced Materials（4篇，均為通訊作者）, Advanced Functional Materials（一篇，為通訊作者）， Energy & Environmental Sciences (一篇,選為2013年issue 12的封面，通訊作者), Laser & Photonics Reviews(4篇，均為通訊作者), Nanoscale (3篇，均為通訊作者)， Nano Letters（1篇），ACS Nano（2篇,其中1篇為通訊作者）等。研究成果多次被選為期刊亮點論文及被技術(shù)媒體和大眾媒體報道：Straits Times (海峽時報); ?聯(lián)合早報 (2 次); ?Science (科學); Daily Mail （每日郵報，英國）, Le Monde （世界報，法國）, Wired（英國）; ?Institution of Engineering and Technology (大英工程技術(shù)學院, 2 次)；MIT Technology Reviews （麻省理工技術(shù)綜述）；SPIE Newsroom (美國光電協(xié)會新聞中心，2 次)；Physics World (大英物理學院物理世界刊物，3 次)；Phys.Org（2次）；Chemical & Engineering News (American Chemical Society，美國化學學會)， ScienceDaily (2次) 等等。

Chen, Y., Deng, H., Sha, X.?et al.?Observation of intrinsic chiral bound states in the continuum.?Nature?613, 474–478 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05467-6

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05467-6

http://icoe.szu.edu.cn/plus/view3379.html?aid=1409

http://mse.hitsz.edu.cn/info/1029/1037.htm

https://pmpi.ustc.edu.cn/2022/0415/c19780a552008/page.htm