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平面手性超构表面突破传统局限：香港科大团队实现环偶极子圆二色性的巨幅调控
作者：欧光科技 发表时间：2025-06-25 14:21:20
在拓扑光子学与手性光学的交叉领域，如何高效操控电磁波的手性响应一直是研究热点。传统环偶极子诱导的圆二色性（CD）效应虽具备独特应用潜力，却受制于三维微结构的复杂制备难题。近日，香港科技大学（广州）吴肖肖团队在《APLMaterials》发表研究，提出基于双层平面超构表面的创新设计，首次通过简单几何偏移实现环偶极子圆二色性的巨幅调控，实测CD值达0.69，为紧凑型手性光学器件的研发开辟了新路径。
一、打破对称性：从三维束缚到平面革新
传统环偶极子的激发依赖立体结构，导致集成难度高、调控灵活性不足。吴肖肖团队突破性地设计了双层金属环形结构：顶层与底层的方形开口环通过引入偏移量参数d，打破镜面对称与旋转对称性。当圆偏振光入射时，平面内的环偶极子被激发，形成强烈的手性响应。
实验表明，当偏移量d达到晶胞晶格常数的一半（5mm）时，CD值达到峰值。这种“平面化”设计彻底摒弃了三维加工复杂性，仅通过二维图案偏移即可实现手性调控，为微纳器件的批量制备奠定基础。
二、多维度验证：从理论建模到实验实证
团队通过仿真与实验双重验证了设计的有效性：
结构表征：图1所示的双层超构表面通过旋转和平移操作打破对称性，绿色箭头示意的环偶极子电流分布直接证明手性响应的起源。
光谱分析：图2显示，随着d增大，交叉极化透射差异显著提升，d=5mm时CD值在仿真中达0.8，实验值0.69，实现从无手性到强手性的平滑过渡。
多极子贡献：散射截面分析揭示，环偶极子面内分量（Ty）与磁偶极子面外分量（mz）是巨CD效应的主要来源，颠覆了传统认知中电偶极子主导的机制。
三、对映异构调控：手性响应的“双向开关”
研究进一步发现，偏移方向的不同可生成两种对映异构体（EnantiomerA与B）。如图所示，两者沿对角线镜像对称，其CD值大小相等、符号相反，形成可切换的手性响应“开关”。这种对称性调控为动态手性光学器件提供了新思路，例如可通过电控或光控偏移量实现偏振态的实时切换。
四、应用前景：从基础研究到产业落地
该研究的核心价值在于：
1.技术突破：平面化设计解决了三维结构的集成难题，兼容现有微纳加工技术，可应用于太赫兹成像、生物传感等领域。
2.动态调控：偏移量d的连续调节实现CD值从0到0.69的线性变化，为可调谐光通信器件（如偏振滤波器、旋光器）提供关键技术支撑。
3.基础科学意义：揭示了环偶极子在平面手性中的主导作用，拓展了拓扑光子学的理论框架。
五、团队与成果延伸
第一作者康世杰博士研究生聚焦微波与太赫兹手性超构表面研究，通讯作者吴肖肖助理教授在拓扑光子学领域已发表40余篇SCI论文，其团队长期探索人工微结构对电磁波的超常调控。该成果不仅为《APLMaterials》期刊2025年开年亮点，更被业内认为是推动手性光学器件从实验室走向产业化的关键一步。
未来，团队计划将该技术拓展至可见光频段，并探索其在量子通信、手性分子检测中的应用，为“芯片级”手性光电器件的研发注入新动能。
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