原創 長光所Light中心 中國光學 收錄於話題#手性3個
非商務 推廣位
撰稿 | Hector（加州大學伯克利分校 博士生）
手性定義為物體結構和其鏡像（對映異構體）的不可重疊性（圖1）。手性物體在自然界很普遍，例如DNA和蛋白質。儘管它們的大多數物理性質是相同的，但是手性物體及其對映異構體可能表現出不同的響應。與電磁波（EM）相關的手性和手性現象已在許多論文中提到。目前，研究人員已經將手性特性引入到光、納米結構和納米系統中，並闡釋手性光學的相互作用。
圖1 手性和非手性物體
圖源：Khan Academy
幾何手性是定性的二元性質。相反，手性光學的影響是可以定量測量的，一些通常測量的手性光學現象包括：旋光色散（ORD）、圓二色性（CD）、左旋圓偏振（LCP）和右旋圓偏振（RCP）的吸收差異。
目前，手性光學的應用方向主要有：
1） 手性結構中的非線性效應，如二次諧波產生（SHG），作為結構對稱性的極其靈敏的探針，使我們能夠區分手性和各向異性效應。
2）手性光與物質的相互作用，非線性光-物質相互作用中的手性選擇性增強，例如，當圓偏振光入射到量子發射器上時，相對於沒有超材料的參考樣本，手性系統的雙光子發光顯著增強了40倍以上，同時還為檢測和表徵自然界中普遍存在的手性提供了超高的靈敏度。
3）主動手性超材料，利用MEMS、相變材料、DNA導向的組裝等方法實現對超材料的手性的人為主動控制，在中紅外區偏振調製、熱成像和檢測方向開闢了新途徑和潛在應用，基於DNA技術更是促進了生命科學和生物化學智能探針的開發。
近日，韓國浦項科技大學的Junsuk Rho（
）教授及其合作者以「Electromagnetic chirality: from fundamentals to nontraditional chiroptical phenomena」為題對光的手性、納米結構和納米系統中的手性及其手性光學相互作用的理論研究進行了全面的概述，並深入討論了基於這些基本原理觀察到的手性光學現象。
該篇綜述文章發表在Light: Science & Applications。
圖2 物體和光的手性量化參數
光不具有傳統的手性，其手性來自旋轉的電場和磁場。同時光還可以攜帶軌道角動量（OAM），從而在波前形成螺旋形幾何形狀。光攜帶的手性量可以用手性參數表示，例如，自旋密度通量、光學螺旋通量以及軌道和自旋角動量。物體的手性則可量化為手性參數（κ）和手性極化張量（αc）。
1. 強手性人工結構
天然材料通常由於其原子特徵尺寸和光波長之間的巨大失配而表現出非常弱的手性，但是人工設計的手性結構可以觀察到強烈的手性響應。
該綜述對手性超材料（連續手性光學介質的本構關係）、小手性粒子（偶極近似和極化率）、最大手性粒子（滿足一定極化條件，與LCP相互作用，同時對RCP完全透明）進行了理論建模，並利用等離激元雜交理論和模式耦合理論解釋手性現象。
圖3 亞波長手性等離子體系統中強手性光學的理論框架
等離激元雜交理論——兩個扭曲的等離激元納米棒（圖3a）顯示出分離的等離激元模式分裂為鍵合和反鍵合狀態，它們與具有不同螺旋度的光不對稱地相互作用。該框架提供了耦合模式的電荷密度分布和本徵頻率的信息。但其基於靜電方法，因此其精度會隨著系統尺寸的增加而降低。
模式耦合理論——允許對粒子間電磁場相互作用進行定量分析。組成粒子被視為強度彼此耦合的振蕩器。該模型可準確地重建與Kramers-Kronig相關的雙手徵手性特徵以及圓二色性和旋光色散關係。此過程可以擴展到更複雜的系統（如許多粒子耦合在一起（圖3c）），從而實現了完善的定量分析。但由於擬合過程，使用這種方法無法預測來自已知成分的未知響應。
2. 手性光學傳感和圓二色性
近場輻射耦合和天線效應——手性分子對納米粒子的對映選擇性攝動對於超靈敏手性傳感至關重要，在這種情況下，納米粒子充當放大弱分子手性信號的納米天線。
局部場梯度——等離子納米間隙在單個點上支持幾個數量級的場增強，因此場變化迅速，並且存在很強的局部場梯度。可以激發更高階的躍遷，並產生強烈增加的手性反應。
超手性場——等離子體等離子納米結構比光學手性更強地增強電場，因此吸收的非手性部分比手性部分增加得多。因此降低了不對稱係數（吸收的手性和非手性組分之間的比例）。因此，超手性光也可以指具有大局部場不對稱性的場（局部光學手性除以局部電場強度）。
等離激元系統中的結構擾動——由手性分子引起的等離激元系統中的結構擾動導致了強烈的手性反應，該反應來自於誘導的結構手性，其中二聚化的等離激元納米棒的最終手性取決於分子的手性。
3. 手性光學操縱技術
本節中作者主要討論了產生光力和扭矩的光-物質相互作用中的動量交換。
首先，引入麥克斯韋應力張量來計算光學力和扭矩。然後，推導施加在手性球上的光學力和扭矩的公式，檢查光學力和扭矩如何影響手性對象，並回顧光碟機動粒子控制的實驗演示（對映選擇性分離）。
圖4 手性光學操縱技術-光碟機馬達
手性光學操縱的一個實驗（光碟機馬達）——線偏振光可以旋轉嵌在矽塊中的金結構作為馬達（圖4a）。平面的金結構是非手性的，但破缺的平面鏡面對稱性會使得坡印廷矢量產生手性分布以及由此出現的光學轉矩。共振頻率處橫截面的增加導致整個微型樣品的旋轉（圖4b），其中旋轉速度和方向可以通過調整入射波長來控制的。
對映選擇性的光學力和扭矩有助於光碟機動的手性物體的捕獲、推動、拉動、引導甚至分類。這些手性光學操縱方法可以應用於控制目標，從微小的人造物體到分子以及固體，液體或氣體物體。手性光學的力和轉矩很弱，為了適用於涉及控制更大和更重物體的實際應用，可以使用表面等離激元極化子來增加力和轉矩。
4. 手性物質與螺旋電磁場之間的相互作用
本節作者主要說明了OAM如何與圓極化相關，以及它如何與手性對象相互作用。SAM（自旋角動量）和手性對象之間的相互作用可以在偶極子描述中得到證明。然而，在偶極近似中，帶有OAM的光是否與手性物體相互作用的問題一直存在爭議。
圖5 螺旋二色性：攜帶l = + 1（藍色）的OAM的光與手性對象的相互作用較弱，而l= −1（粉紅色）的光則強烈地相互作用並被吸收
螺旋二色性：近年來，作為圓二色性的類似物，螺旋二色性或OAM二色性已被定義為與手性物體相互作用的相反扭曲的光束的透射或吸收差異。手性對象與一個OAM狀態強烈地相互作用，而與相反的狀態幾乎不相互作用。這些光-物質相互作用的不同強度導致不同的吸收（圖5）。螺旋二向色性在理論上已得到和實驗證明，還提出了使用OAM用光捕獲手性物體的可能性。
理解從光到手性物體的OAM轉移可以加深我們對手性物質相互作用的理解，並且可以實現實際應用，包括對映異構體的感測和分子手性的檢測。
文章結尾，作者表達了手性光學的傳統概念需要擴展的觀點，而牢固的理論背景對於解釋複雜的手性效應背後的機理是必不可少的。這樣我們就可以用理論上可靠的方式幫助指導手性光學現象的研究和應用。同時作者還預計機器學習的概念將被用於具有所需光學性質的手性結構的自動設計和優化，促進手性光學平臺的應用。
文章信息
Mun, J., Kim, M., Yang, Y. et al. Electromagnetic chirality: from fundamentals to nontraditional chiroptical phenomena. Light Sci Appl 9, 139 (2020).
論文地址
https://doi.org/10.1038/s41377-020-00367-8
原標題：《電磁手性：從基本原理到手性光學》
閱讀原文