超手性高Q腔实现超灵敏手性检测

提出了一种具有高Q-factor的新型手性谐振腔结构，为传统CD检测中光学手性密度受限与模式损耗之间的固有矛盾提供了突破性解决方案。该谐振腔通过构建具有自旋保持反射特性的手性反射镜，实现了特定手性光场的拓扑保护。其独特的几何非对称设计不仅利用了BIC与GMR的简并模式以实现高Q因子，还通过反射镜的自旋锁定机制，确保圆偏振光在腔体内多次往返传播过程中保持手性纯度。实验结果表明，该结构表现出显著的自旋选择性透射特性，透射圆二色性值高达0.99。理论分析进一步表明，当该结构作为F-P腔的反射镜使用时，可支持形成Q因子超过四个数量级的高Q光腔。全波仿真结果进一步预测，BIC–GMR模式与超手性光场的协同作用可在分子相互作用区域内产生均匀的局域光场，使光学手性密度较自由空间值C₀提升约400倍，并实现约5025倍的分子CD信号放大。该创新性的BIC手性微腔设计范式为推动圆二色性检测技术向单分子级灵敏度发展奠定了基础，并为手性生物传感与手性量子光学器件等前沿领域开辟了新的研究方向。

图1| (a) 手性与非手性腔体的原理示意图（a-1）以及所提出的右手性旋转对称超表面（RH SPM）的结构示意图（a-2）。(b) 从实验数据获得的氮化硅色散关系。(c) 右手性超镜的透射率随入射光偏振椭圆的椭圆率β和方位角α变化的关系图。图中叠加的偏振椭圆表示对应的偏振状态。(d, e) 当右手性超镜分别被左旋圆偏振光与右旋圆偏振光激发时，其同手性偏振与反手性偏振反射、透射系数的归一化结果。插图展示了右手性超镜对不同手性圆偏振光入射时的光学响应示意图。

图2| (a) SPM的能带结构。插图显示了其在x–y平面上的电场强度分布。(b) 与能带结构对应的Q因子分布。(c) 左旋圆偏振光与右旋圆偏振光入射下SPM的散射光谱及多极分析。

图3| (a) 样品制备过程示意图。(b) 制备的SPM结构的扫描电子显微镜（SEM）图像。(c) 基于圆偏振光的光谱测量实验装置示意图。(d) 不同手性圆偏振光入射下的透射系数光谱的模拟与实验结果对比。(e) 不同入射角下透射圆二色性光谱的模拟与实验结果对比。

图4| (a)含手性介质的手性光学腔体示意图。(b) 在圆偏振光激发下，腔体内超手性场的电场增强光谱与空间分布。(c) 纵向平面内电场与磁场平行分量之间的相位差分布。(d) 体平均超手性因子随腔长L变化的关系曲线。(e) 不同腔长下ƞ_TCD与ƞ_ACD的光谱变化。(f)手性分子的介电常数与手性参数的色散关系。(g) 对应于 (f) 所示分子参数的 ƞ_TCD与ƞ_{ACD 光谱。}