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说明 | 本文来自论文作者投稿
自然界中几乎所有物体都有镜像，不能与其镜像叠加的物体我们称之为手性物体。手性物质在自然界中广泛分布，包括原子核，生物分子，光，还有我们的双手。因此，手性光-物质相互作用在众多领域（量子光学，生物物理，纳米光电）都引起了广泛的关注。
手性的艺术效果图
图源：NASA / Jenny Mottar
手性物质其中一个重要的性质就是光圆二色性，即在手性光下展现出不同的吸收截面面积。但是因为手性分子比光的波长小很多，所以分子内禀的圆二色性很弱。因此，增加手性光-物质相互作用的方法和策略在近年来被广泛报导。
3. 利用两束相反的手性光来组成驻波来形成超手性场。
然而，大部分的研究都是基于自发辐射或者无源腔。相反的，有源腔，比如生物激光，是利用生物分子充当增益介质来达到受激辐射，进而可以增加和放大生物分子中的物理化学特性。
但是我们通过直觉思考会发现，普通的法布里波罗腔（由两面镜子组成）很难增加手性光-物质相互作用，这是因为镜子反射会反转光的手性。因此，腔内的光手性会比入射光的手性要更弱，这样看来想用传统的法布里波罗腔增加手性光-物质相互作用看上去是不可能达到的目标。
为此，新加坡南洋理工大学Yu-Cheng Chen教授课题组（课题组简介 >）实现了手性生物激光。并且深入探究了在受激辐射中的手性光-物质相互作用背后的物理原理。
手性光艺术效果图
图源：Light新媒体
该研究工作以 Stimulated Chiral Light-Matter Interactions in Biological Microlasers 为题发表在 ACS Nano。
如图一所示，绿色荧光蛋白或者结合了手性分子的有机染料充当激光的增益介质，两片介电质布拉格反射器(DBR)充当高反射率镜子，左旋光和右旋光充当泵浦源用来激发受激辐射。其中激光非对称因子(glum=2×(IL–IR)/(IL+IR) )被用来表征手性。在受激辐射下，激光非对称因子相对于分子内在光圆二色性被反直觉地大幅增强，这是由于在激光阈值附近受激辐射的非线性泵浦能量依赖性。
图一: 手性生物激光的艺术效果图
图源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen课题组
研究人员首先发现不同手性的分子与有机染料结合后充当激光增益介质会导致激光输出产生不同的激光非对称因子，如图二所示。
图二:手性生物激光的示意图以及原理图
图源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen课题组
为了更深刻的理解腔内手性光-物质相互作用，研究人员建立了基于激光稳态下的腔内驻波理论模型，如图三所示。同时由于受激辐射产生的光子的相干性和染料分子偶极矩特性，腔内光场和输出激光的偏振特性会由泵浦源决定。凭借这些受激辐射特性所建立的理论模型可以计算出与实验相吻合的结果。
图三: 腔内手性光-物质相互作用原理图
图源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen课题组
接下来，研究人员利用了从发光水母体中所提取的绿色荧光蛋白作为激光的增益介质如图四所示。
图四: 绿色荧光蛋白手性激光
图源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen课题组
由于绿色荧光蛋白自带的β折叠，绿色荧光蛋白自带圆二色性。在绿色荧光蛋白发出的激光中，比内在分子圆二色性大几十倍的激光非对称因子被测量出来，展示了受激辐射增强手性光-物质相互作用的能力。
3. 手性转移也能通过福斯特能量共振转移在腔内实现。
这项研究的意义在于深入研究探讨了在受激辐射中的手性光-物质相互作用背后的物理机理。不仅为增加手性光-物质相互作用提供了一个全新的方法和思路，也为激光物理提供了新的前景。同时该团队认为该原理有望于应用于手性分子的超灵敏传感和成像。
论文信息
Zhiyi Yuan, Yunke Zhou, Zhen Qiao, Chan Eng Aik, Wei-Chen Tu, Xiaoqin Wu, and Yu-Cheng Chen
论文地址
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01805
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