基于“纳米剪纸”可变形立体超表面的Fano共振光学手性增强- 大数跨境

两江科技评论

2020-04-07

导读：近日，北京理工大学物理学院李家方、张向东、姚裕贵教授团队，与中科院物理所团队、暨南大学徐毅及李向平教授合作，采用“纳米剪纸”技术制备了一种新颖的可变形立体超表面结构，通过调控手性Fano共振线型的反转

导读

近日，北京理工大学物理学院李家方、张向东、姚裕贵教授团队，与中科院物理所团队、暨南大学徐毅及李向平教授合作，采用“纳米剪纸”技术制备了一种新颖的可变形立体超表面结构，通过调控手性Fano共振线型的反转实现了光学手性增强，并论证了片上可逆调谐的圆二色性。相关研究工作近期以“Fano-enhanced circular dichroism in deformable stereo metasurfaces”为题，发表于《Advanced Materials》上。该研究引入了立体超表面“Stereo metasurface”的概念，实现了立体单元结构中电磁多极子模式的手性激励，为未来可调谐光学微纳结构及器件的发展提供了一种新颖的研究思路和技术途经。

研究背景

人工三维超材料和二维超表面是当今纳米光子学的两个重要前沿研究领域。其中，光学波段的超材料在三维纳米制备方面遇到挑战，二维超表面则在功能动态调谐方面亟待发展。同时，近年来兴起的立体剪纸和折纸技术显示出丰富的从二维平面结构到三维立体结构的形变功能，为三维纳米制备提供了一种新的发展思路。据此，李家方及合作团队在2018年发展了一种独特的纳米剪纸微纳加工技术[Science Advances 4, eaat4436 (2018)]，实现了一系列新颖的三维及准三维纳米结构[Nanophotonics 7, 1637 (2018); APL Photonics 3, 100803 (2018)]。此外，纳米剪纸结构的面外形变还具有可逆调谐的潜能，在力、热、电、磁、光、声等的作用下有望为光学波段二维及三维结构的动态调谐提供新颖的片上调控机制和解决方案，但尚未获得实验论证。

创新研究

在前期的理论和实验研究基础上，研究团队采用纳米剪纸技术制备了多种构型的手性超分子结构（图1d），构建了一种新颖的“2.5维”立体手性超表面结构。研究发现，这些超分子的电四极子共振模式能够与晶格的背景散射通道干涉形成Fano共振。更为重要的是，立体超表面的手性Fano共振线型可以通过超分子的面外形变高度进行调控。在合适的形变高度和结构周期条件下，相反手性圆偏振光所激发的Fano线型在相同共振波长处分别对应透射谱中的波谷和波峰（图2a-e），提供了一种新的手性响应增强物理机制。研究团队通过进一步分析手性分子面外形变种类及对称性、晶格对称性及周期排布等的影响，实现了近红外波段超表面圆二色性的灵活剪裁（Fig. 2f）。

光频波段三维超材料和二维超表面的动态调谐是该领域器件应用面临的重大挑战之一。该报道的立体超表面拥有新颖的三维扭曲形貌和可逆形变特性，天然具备动态调控的潜能。为此，合作团队利用单模光纤反复压缩和释放立体超表面，在实验上实现了近红外波段圆二色性的片上可逆调谐（Fig. 2g-h）。该纳米剪纸结构机械力学调控的演示，为后续立体超表面在力、热、电、磁、光、声等领域的动态调控及应用提供了重要的可行性论证和技术参考。

图文速览

图1: (a) 3D超材料；(b) 2D平面超表面；(c) 2.5D立体超表面；(d,e)不同类型的超分子结构及排布晶格；(f,g)Fano共振线型及对应的圆二色性增强机制。

图2: (a-f) Fano共振增强的圆二色性(CD)：(a-d)理论模拟；(e-f)实验研究。(g)立体超表面CD动态调谐示意图；(h)不同压缩比例情况下的CD光谱及（插图）30个循环动态调谐下的CD强度。

总结

该研究工作为片上可重构光子器件的物理和应用研究提供了新颖的平台，在光学传感、手性光源、微流体器件、微机电/纳米机电等方面有着重要的应用前景。刘之光博士（在北理工团队主要支持下）、徐毅教授和博士生纪昌银为论文的共同第一作者，北理工物理学院李家方教授为论文的通讯作者。研究团队特别感谢中科院物理所光物理实验室和微加工实验室、麻省理工学院方绚莱教授、华南理工大学李志远教授和中科院物理所陆凌研究员的支持与帮助。该工作得到了国家自然科学基金面上项目、重点项目，国家重点研发计划项目，北京理工大学学术启动项目，广东省自然科学基金等项目的支持。

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文章链接

Zhiguang Liu^#, Yi Xu^#, Chang-Yin Ji^#, Shanshan Chen, Xiangping Li, Xiangdong Zhang, Yugui Yao, and Jiafang Li*, “Fano-enhanced circular dichroism in deformable stereo metasurfaces”, Advanced Materials 32, 1907077 (2020). （^#为共同一作；*为通讯作者）