最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院微納米工程實(shí)驗(yàn)室在利用渦旋光檢測(cè)結(jié)構(gòu)手性研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)光子軌道角動(dòng)量可以高效地探測(cè)結(jié)構(gòu)的光學(xué)手性信號(hào)。該成果以“Gigantic vortical differential scattering as a monochromatic probe for multiscale chiral structures”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊PNAS [118, e2020055118 (2021)] 上。

手性結(jié)構(gòu)廣泛存在于自然界中，如DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、植物卷須和貝殼等。除了觀察物體的幾何形態(tài)，通過(guò)光與物質(zhì)相互作用也可以分辨其手性。例如通過(guò)光子自旋角動(dòng)量與物質(zhì)相互作用，研究結(jié)構(gòu)對(duì)左右旋圓偏振光的光學(xué)響應(yīng)不同可以實(shí)現(xiàn)圓二色性譜的探測(cè)。那么同樣具有手性特征的光子軌道角動(dòng)量能否用來(lái)檢測(cè)手性結(jié)構(gòu)，以及如何獲得的顯著的光學(xué)響應(yīng)信號(hào)？

針對(duì)以上科學(xué)問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)匹配光束和手性結(jié)構(gòu)的尺寸，渦旋光包含的螺旋相位（光子軌道角動(dòng)量）可以與手性微結(jié)構(gòu)作用，從而產(chǎn)生顯著的渦旋差散射。研究發(fā)現(xiàn)，渦旋差散射峰值所處的結(jié)構(gòu)尺寸與操作波長(zhǎng)關(guān)系區(qū)域位于之前圓二色性響應(yīng)未探索的區(qū)域，并且可以實(shí)現(xiàn)單色光探測(cè)。該工作還研究了渦旋差散射譜與螺旋結(jié)構(gòu)幾何尺寸的關(guān)系，以及增強(qiáng)手性分子檢測(cè)信號(hào)的手段。該技術(shù)有望為后續(xù)手性光與物質(zhì)相互作用研究領(lǐng)域提供一種全新的探測(cè)方式。

圖示：(A) 渦旋光和(B)圓偏振光檢測(cè)手性結(jié)構(gòu)示意圖。(C) 對(duì)比圓二色性和渦旋差散射響應(yīng)區(qū)域。(D) 產(chǎn)生強(qiáng)手性信號(hào)時(shí)，渦旋光與結(jié)構(gòu)的尺寸匹配關(guān)系。(E) 渦旋光與手性結(jié)構(gòu)作用示意圖。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院微納米工程實(shí)驗(yàn)室已畢業(yè)博士生倪勁成為文章第一作者，吳東教授、胡衍雷副教授、物理學(xué)院黃坤研究員和新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授為論文的通訊作者。這項(xiàng)工作得到中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接： https://www.pnas.org/content/118/2/e2020055118