Light | 电磁手性：从基础理论到非传统手性现象- 大数跨境

两江科技评论

2020-09-30

导读：近日，浦项科技大学和新加坡国立大学的研究人员合作发表了关于光学手性的综述文章。在这篇综述中，研究人员对光、纳米结构、纳米系统和它们之间的手性相互作用在理论方面做出了全面的概述，并基于这些基本理论对观察

撰稿 | OSA

该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Electromagnetic chirality: from fundamentals to nontraditional chiroptical phenomena”，Jungho Mun, Minkyung Kim, Younghwan Yang和Trevon Badloe为论文的共同第一作者，Junsuk Rho为通讯作者。

导读

近日，浦项科技大学和新加坡国立大学的研究人员合作发表了关于光学手性的综述文章。在这篇综述中，研究人员对光、纳米结构、纳米系统和它们之间的手性相互作用在理论方面做出了全面的概述，并基于这些基本理论对观察到的手性现象进行了深入讨论。本文将有助于理解光学手性现象背后的机制，并有助于解释手性系统的进一步研究。

研究背景

手性物质在自然界中广泛存在，例如DNA和蛋白质。手性物体或体系是指其结构与其镜像(对映体)不能重叠的物体或体系。手性对象及其对映体虽然具有相同的物理性质，但其反应却不尽相同。人们可以仅从几何形状就直接确定一个物体是否具有手性;换句话说，几何手性是一种定性的，二元的性质。

而光不具有几何形状，因此在传统意义上是不具有手性的，但光的手性可以通过一定的参数来定义。对于LCP或RCP光，手性特性产生于波传播时旋转的电场和磁场。光也可以携带轨道角动量，从而在波前形成螺旋几何形状。光带有的手性的量可以用手性参数来表示，如自旋密度通量(Le和Lm),光学螺旋性通量(Φχ和Φh),轨道和自旋角动量(Lz和Sz)。这些参数允许我们定义手性光。类似的,可以量化的手性对象的手性参数(κ)和手性极化率张量(αc)。

近年来，许多综述文章对电磁波的手性和手性现象进行了研究，主要集中在手性超材料体系的各种设计和制备方法，以提高手性反应。本文着重于描述手性系统和手性电磁场的理论框架，以及在量化电磁场手性方面的进展，并介绍了开发手性光-物质相互作用的具体应用实例。

创新研究

在这篇综述中，研究人员提出了描述连续手性介质、手性粒子体系和手性电磁场的理论框架，进一步解释两种手性现象:手性操纵和轨道角动量产生的手性光-物质相互作用，最后对手性的可量化参数进行了总结，并对手性领域的未来研究方向进行了展望。

人工结构中的强手性

天然材料由于其原子特征尺寸与光学波长的不匹配，通常只能表现出非常弱的手性，然而，在结构材料中，如选择性反射左旋光的金凤花甲虫和人工手性结构中，已经观察到强烈的手性依赖反应。本节讨论了如何模拟连续手性介质和微观手性粒子的电磁场手性，以及如何用这个框架来解释手性现象。

图一：实验实现的小等离子体手性粒子及其圆二色谱。a不对称的锥体，b由等离子纳米球组成的螺旋体，c由扭曲的纳米棒组成的二聚体。

图二：阐释亚波长手性等离子体系统强手性现象的理论框架。a等离子体杂化理论，b耦合模理论，特别是Born–Kuhn模型来描述耦合纳米管系统的电磁手性响应，c耦合模理论，描述一个复杂耦合系统的手性响应。

手性传感和等离子体增强的圆二色性

对映选择性光谱在药物和合成化学中用于区分手性分子是一种很有潜力的技术，但分子的手性信号由于分子与光波长的不匹配而本质上很弱。相关的超灵敏测量研究已经开展，本节集中研究手性分子传感的理论方面，包括等离子天线效应、局部场梯度、超手性场和结构微扰。

图三: 等离子体增强圆二色性的理论重建。a靠近等离子体球的手性分子，b嵌入在等离子体间隙天线中的手性介质，c嵌入在等离子体二聚体中偶极跃迁以外的手性分子。

图四：纳米结构附近的光学手性增强。a手性等离子体，b非手性等离子体，c高
折射率介电粒子。

图五：结构微扰带来的等离子体手性。a不同手性分子的不对称性性决定了等离子体纳米od二聚体的不对称性。B对于粒子系综的手性信号测量，c对于单粒子手性信号的测量。

手性光学操作

本节讨论产生光力和力矩的光-物质相互作用中的动量交换，研究了光学力和扭矩对手性物体的影响，并回顾了光驱动粒子控制的实验演示。

图六：光力和力矩。a等离子体插图，b等离子体在810nm(上)和1700 nm(下)照明下的暗场显微镜图像，c放置在基板上的非手性(上)、右手性(中)和左手性(下)物体的光学力原理图，d对应的时间平均波印廷向量(上)和时间平均电自旋密度Le(下)。

手性物质与螺旋电磁场的相互作用

轨道角动量（OAM）可以赋予光手性的性质，这一节将讨论OAM与圆偏振的关系以及它与手性物体的相互作用。理解OAM从光到手性对象的转移，可以加深我们对手性物质相互作用的理解，并可能实现实际应用，包括对映体的传感和分子手性的检测。

图七：手性光。a l=0的圆偏振光。顶行为电场空间分布，中行为相位分布截面，底行为强度分布截面。b l=−1和c l=+1 OAM。顶行:波前，中行:相位分布截面，底行:强度分布截面。d螺旋二色性图解。携带l=+1(蓝色)光的OAM光与手性物体相互作用微弱，而携带l= - 1(粉色)OAM光与手性物体相互作用强并被吸收。