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曹暾教授联合蒋卫祥教授、张霜教授等人在手性结构光学信号增强领域取得重要进展

作者: Research编辑部

时间: 2020-04-27 11:11

近期,大连理工大学曹暾教授团队与东南大学崔铁军院士团队蒋卫祥教授以及英国伯明翰大学张霜教授合作,提出了一种基于超表面的保圆偏法布里-珀罗谐振腔(Fabry–Pérot cavity, FP cavity)增强手性光学信号的创新方法。理论和实验表明,保圆偏FP谐振腔可以使手性分子的光学活性信号显著提高。相关成果以 “Chirality Enhancement Using Fabry–Pérot-Like Cavity”为题发表在Research上(Research, 2020 DOI: 10.34133/2020/7873581)。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

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论文地址:

https://spj.sciencemag.org/research/2020/7873581/

研究背景

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手性,是指物体与其镜像不对称的性质,在化学和生物医学领域起着重要的作用。不仅构成生命的大分子,比如蛋白质和DNA等都具有手性,它也决定着药物、添加剂、杀虫剂或农用化学品的结合方式。然而,由于手性分子的尺寸远小于电磁波的波长,天然手性分子的手性光学信号响应很低,需要很高的浓度才能对其进行定性和定量研究。所以,增强分子的手性光学信号具有重要意义。

局部改变电磁场的分布可以增强手性分子的手性效应,但这种方法依赖于手性分子对这些纳米颗粒的精确定位。保圆偏FP谐振腔是一种检测单个分子的有效方案,因为腔内光束的共振循环使光能够多次对分子进行取样,可以广泛用于增强光与物质的相互作用。与局域共振相比,FP谐振腔具有位置不敏感、易于操作等优点。

传统的各向同性反射镜会使圆偏振反射光的偏振态发生逆转,所以由其构成的FP谐振腔不能直接用于手性光学信号的增强。超材料是一种人工材料,旨在实现大量新的功能和现象,这些功能和现象往往是天然材料所无法实现的。超材料通常以周期性的模式排列,其比例远小于感兴趣的波长。超表面是一种特殊形式的二维超材料,该领域的最新进展表明超表面可以实现对电磁波的自由调控。特别是通过对超表面结构的适当设计,可以使其反射的圆偏振光保持手性不变。

创新研究

这项工作中,研究人员通过设计超表面结构作为保圆偏FP谐振腔的反射镜,使得经超表面反射后的圆偏振光仍能保持其入射时的偏振态。利用一对正交放置的超表面反射镜构成保圆偏FP谐振腔,实现腔内圆偏振光偏振态保持不变的循环反射,进而增强置于腔内的手性分子的手性光学信号。

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(a)手性超材料示意图,(b)手性超材料置于两个超表面形成的保圆偏FP谐振腔示意图,(c)手性分子和(d)超表面的单元结构设计示意
图1  设计的超表面结构示意图

在具体的演示实例中,研究人员采用双层交叉线结构组成的超材料代替手性分子,该超材料在微波频段具有非常弱的手性光学信号响应。每个超表面反射镜由金属/电介质/金属三明治人工结构组成,作为保圆偏FP谐振腔反射镜的两个人工超表面相互垂直放置于电路板介质层的左右两侧。超表面反射镜可以使反射光保持其偏振状态,同时积累手性响应。两个铜金属网格可以反射出保圆偏FP谐振腔中传播的大部分电磁波,同时让一部分电磁波透射到保圆偏FP谐振腔中。

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(a)普通FP腔示意图 (b)保圆偏FP腔示意图

图2  FP腔示意图

通过比较手性超材料在自由空间和保圆偏FP谐振腔中的同极化和交叉极化透射系数,可以发现这种新型的保圆偏FP谐振腔极大提高了手性超材料的光学活性,使其手性相应提高了一个数量级。实验结果与数值仿真结果都验证了该技术的可行性。

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(a)、(b)CST软件仿真结果
(c)、(d)实验测量结果
图3  手性超材料和放置于FP腔中手性超材料的透射系数

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(a)、(b)手性超材料和放置于FP腔中手性超材料的光学活性
(c)、(d)手性超材料和放置于FP腔中手性超材料的椭圆率
图4  手性超材料和放置于FP腔中手性超材料的光学活性和椭圆率

值得一提的是,这个新策略可以直接扩展到其他更高的频率,如可见光,红外和太赫兹频段等。该研究为低浓度手性分子的检测提供了新思路,将有力推动生物分子手性快速准确识别与分离技术的发展,为未来病毒的快速检测和对应治疗药物研发提供了新的技术方案。

作者简介

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曹暾教授现就职于大连理工大学光电工程与仪器科学学院。曹暾教授团队以国家重大需求为牵引,长期致力于微纳构件及其应用研究,在超材料、光子晶体等纳米构件的理论研究、纳米加工及技术应用等相关领域积累了一定经验。

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蒋卫祥,东南大学信息科学与工程学院研究员、博导,中国电子学会高级会员、青年科学家俱乐部成员,目前在东南大学毫米波国家重点实验室从事与新型人工电磁材料相关理论、实验和应用研究,在新型电磁调控器件、高性能天线与天线罩、高分辨率成像等方面取得重要成果,曾数次被国际学术期刊选为“研究亮点”并被国内外科技媒体报道。

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张霜,英国伯明翰大学物理与天文系教授。研究兴趣包括:纳米光子学,超材料与表面等离子激元, 非线性光学等。于2016年当选为美国光学学会会士。

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