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  • 電磁手性:從基本原理到手性光學(xué)

    作者:長光所Light中心 來源:中國光學(xué) 時(shí)間:2020-09-30 11:16 閱讀:1793 [投稿]
    研究人員已經(jīng)將手性特性引入到光、納米結(jié)構(gòu)和納米系統(tǒng)中,并闡釋手性光學(xué)的相互作用。

    光不具有傳統(tǒng)的手性,其手性來自旋轉(zhuǎn)的電場和磁場。同時(shí)光還可以攜帶軌道角動(dòng)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(shù)表示,例如,自旋密度通量、光學(xué)螺旋通量以及軌道和自旋角動(dòng)量。物體的手性則可量化為手性參數(shù)(κ)和手性極化張量(αc)。

    1. 強(qiáng)手性人工結(jié)構(gòu)

    天然材料通常由于其原子特征尺寸和光波長之間的巨大失配而表現(xiàn)出非常弱的手性,但是人工設(shè)計(jì)的手性結(jié)構(gòu)可以觀察到強(qiáng)烈的手性響應(yīng)。

    該綜述對(duì)手性超材料(連續(xù)手性光學(xué)介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系)、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(shí)對(duì)RCP完全透明)進(jìn)行了理論建模,并利用等離激元雜交理論和模式耦合理論解釋手性現(xiàn)象。


    圖3 亞波長手性等離子體系統(tǒng)中強(qiáng)手性光學(xué)的理論框架等離激元雜交理論——兩個(gè)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(tài),它們與具有不同螺旋度的光不對(duì)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征頻率的信息。但其基于靜電方法,因此其精度會(huì)隨著系統(tǒng)尺寸的增加而降低。

    模式耦合理論——允許對(duì)粒子間電磁場相互作用進(jìn)行定量分析。組成粒子被視為強(qiáng)度彼此耦合的振蕩器。該模型可準(zhǔn)確地重建與Kramers-Kronig相關(guān)的雙手征手性特征以及圓二色性和旋光色散關(guān)系。此過程可以擴(kuò)展到更復(fù)雜的系統(tǒng)(如許多粒子耦合在一起(圖3c)),從而實(shí)現(xiàn)了完善的定量分析。但由于擬合過程,使用這種方法無法預(yù)測來自已知成分的未知響應(yīng)。

    2. 手性光學(xué)傳感和圓二色性

    近場輻射耦合和天線效應(yīng)——手性分子對(duì)納米粒子的對(duì)映選擇性攝動(dòng)對(duì)于超靈敏手性傳感至關(guān)重要,在這種情況下,納米粒子充當(dāng)放大弱分子手性信號(hào)的納米天線。

    局部場梯度——等離子納米間隙在單個(gè)點(diǎn)上支持幾個(gè)數(shù)量級(jí)的場增強(qiáng),因此場變化迅速,并且存在很強(qiáng)的局部場梯度?梢约ぐl(fā)更高階的躍遷,并產(chǎn)生強(qiáng)烈增加的手性反應(yīng)。

    超手性場——等離子體等離子納米結(jié)構(gòu)比光學(xué)手性更強(qiáng)地增強(qiáng)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(duì)稱系數(shù)(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(duì)稱性的場(局部光學(xué)手性除以局部電場強(qiáng)度)。

    等離激元系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)——由手性分子引起的等離激元系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)導(dǎo)致了強(qiáng)烈的手性反應(yīng),該反應(yīng)來自于誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)手性,其中二聚化的等離激元納米棒的最終手性取決于分子的手性。

    3. 手性光學(xué)操縱技術(shù)

    本節(jié)中作者主要討論了產(chǎn)生光力和扭矩的光-物質(zhì)相互作用中的動(dòng)量交換。

    首先,引入麥克斯韋應(yīng)力張量來計(jì)算光學(xué)力和扭矩。然后,推導(dǎo)施加在手性球上的光學(xué)力和扭矩的公式,檢查光學(xué)力和扭矩如何影響手性對(duì)象,并回顧光驅(qū)動(dòng)粒子控制的實(shí)驗(yàn)演示(對(duì)映選擇性分離)。


    圖4.手性光學(xué)操縱技術(shù)-光驅(qū)馬達(dá)

    手性光學(xué)操縱的一個(gè)實(shí)驗(yàn)(光驅(qū)馬達(dá))——線偏振光可以旋轉(zhuǎn)嵌在硅塊中的金結(jié)構(gòu)作為馬達(dá)(圖4a)。平面的金結(jié)構(gòu)是非手性的,但破缺的平面鏡面對(duì)稱性會(huì)使得坡印廷矢量產(chǎn)生手性分布以及由此出現(xiàn)的光學(xué)轉(zhuǎn)矩。共振頻率處橫截面的增加導(dǎo)致整個(gè)微型樣品的旋轉(zhuǎn)(圖4b),其中旋轉(zhuǎn)速度和方向可以通過調(diào)整入射波長來控制的。

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