撰稿| 由第一作者供稿
导读
Optics Letter 2021年第6期论文
Xiaoqing Luo, Fangrong Hu, and Guangyuan Li. Dynamically reversible and strong circular dichroism based on Babinet-invertible chiral metasurfaces. Optics Letter, 2021, 46(6): 1309—1312.
手性物质在自然界中普遍存在，比如组成生命体的蛋白质和DNA。手性物体指的是其结构在规定维度空间内进行平移、旋转等操作变换下，不能与其镜像对映体重叠。一般来说人们可以从几何形状直接确定一个物体是否具有手性。严格来说，光不具有几何形状，但是依据光在传播时电场和磁场矢量的旋转手性特性，可以分为左旋光（LCP）和右旋光（RCP）。
手性超材料与不同手性的偏振光相互作用的物理机制有明显的差异，因而具有圆二色性（Circular Dichroism, CD），光学活性（Optical Activity）以及不对称传输（Asymmetric Transmission）等独特的性质。目前实现可反转CD的方法一般是基于DNA重组装技术，MEMS技术等，这类方法都是利用外界激励源改变三维结构形貌，使原来的结构变为其手性对映异构体。然而，这类可反转CD超材料的加工难度很大，不易集成，应用领域受限，而且可重复使用性较差。在斜入射时，非手性超表面结构也会表现出非常强的圆二色性，只允许一种手性的圆偏振光透过，另一种手性的光由于激励了相干增强的电共振和磁共振模式，因此被阻断而不能通过。
近日，来自中科院深圳先进技术研究院的李光元研究团队了提出了一种巴比涅可反转手性超表面，可实现圆二色性的动态反转。利用VO2的金属-介质态相变特性（温度相变点68℃），通过特殊设计使得当VO2在金属态和介质态时超表面分别对应互补的等效电磁结构，根据巴比涅原理，两种情况下的圆二色性具有反对称特性，因此实现了CD的动态反转，如图1所示。相关成果以Dynamically reversible and strong circular dichroism based on Babinet-invertible chiral metasurfaces为题发表于Optics Letters 2021年第6期。
当VO2在室温时（处于介质态，电导率~4×102S/m），RCP光在1THz附近可以透过（透射系数接近85%），而LCP光不能被透过（透射系数只有12%），超表面的圆二色性为0.5（LCP与RCP透射率之差）。通过改变VO2的温度高于相变温度点（处于金属态，电导率~4×105S/m），RCP光可以透过而LCP光不能透过，其圆二色性反转为-0.5，结果如图2所示。
研究者通过仿真对超表面的电场和磁场进行研究发现，在LCP光激励下，介质态的电场分布与金属态的磁场分布相同，而介质态的磁场分布与金属态的电场分布相同，这正符合巴比涅原理，如图3所示。
图1 原理示意图（a）和（b）分别对应于VO2为介质态和金属态时的超表面的圆二色性；（c）和（d）分别对应于VO2为介质态和金属态时的超表面结构示意图，红色虚线框是选取的互补的单元结构
图2 （a）和（c）VO2为介质态时圆偏光的透射系数和圆二色性；（b）和（d）VO2为金属态时圆偏光的透射系数和圆二色性
图3 （a）和（b）VO2为介质态左旋光入射时电场绝对值|E|和磁场绝对值|H|；（b）和（d）VO2为金属态左旋光入射时电场绝对值|E|和磁场绝对值|H|
文章链接
https://doi.org/10.1364/OL.421016
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