【科技前沿】太赫兹手性超表面中的耦合效应

撰稿：陈玉婷，银珊（光电工程学院，广西光电信息处理重点实验室）

图1 手性超表面及其产生的CCD光谱

1.导读

手性在自然界中普遍存在，在分子生物学、医学和生物科学中具有重要价值。由于天然材料的手性响应微弱，而利用超表面可以增强手性光学响应，因此引发了许多学者的关注。然而，大多数工作都集中在通过修改几何结构来获取更强的手性响应，对手性超材料中手性响应的物理成因，特别是结构之间的耦合，缺乏充分的研究。

近日我校光电工程学院韩家广教授团队在中科院一区top期刊Nanophotonics发表最新文章，对太赫兹手性超表面中的耦合效应进行了深入研究。利用二维手性超材料，即手性超表面，通过移动两个谐振器——wire与SRR的相对位置，研究了两个谐振器之间不同耦合而导致的手性谱的变化（如图1所示），阐明了超表面的手性响应不仅受结构手性的影响，而且还有谐振器之间的耦合的影响。

该研究成果不仅为研究手性与模式耦合的关系提供了理论依据，也为设计手性超表面和增强圆转换二色性提供了理论方法，在光学传感、偏振成像、生物/化学检测等领域具有潜在的应用价值。

该研究成果以“Coupling-enabled chirality in terahertz metasurfaces”为题在线发表在Nanophotonics。沙巴足球（中国）股份有限公司官网为第一单位，光电工程学院银珊博士为第一作者，硕士研究生陈玉婷为第二作者，黄巍博士和韩家广教授为共同通讯作者。本文工作受到国家自然科学基金的项目支持。

2.研究背景

手性是天然材料的一种固有属性，其结构不能通过平移或旋转与其镜像重合。由于特殊的光谱信息可以反应光和物质的相互作用，因此研究者普遍利用手性光学来检测和鉴别手性物质。然而，天然分子的弱手性阻碍了对其内在物理过程的相关研究。近年来出现的手性超材料为研究光学手性开辟了新的途径，手性超材料诱导的手性效应能够比自然材料高几个数量级。至今为止，大量的研究者将目光集中在设计双层或多层结构诱导出强手性响应，以及基于相变材料的可调控手性超表面上，但这些结构不仅加工难度大，而且物理过程复杂，增大了超表面的手性响应机理研究的难度。

3.创新研究

针对上述问题，本文采用单层平面超表面，通过仿真和实验，并结合耦合模理论，研究了由wire和SRR两谐振器之间的耦合对超表面手性的影响。该平面超表面由硅衬底上的单层金属阵列构成，阵列单元为两个金属谐振器(wire与SRR)组成的非对称结构。这种平面超表面结构简单，易于制备，且避免了层间耦合，简化了手性响应的物理机制。

根据结构对称性与特征琼斯矩阵之间的关系可知，具有非对称结构的超表面仅有圆转换二色性(CCD)，因此文章利用对映体结构，同时从圆交叉极化透射光谱和CCD谱观察手性的不对称传输，并推导了手性的演化过程。

首先，如图2所示，从仿真和实验结果中，通过简单地移动SRR的上下位置（即dy），改变两个谐振器之间的耦合，验证了该耦合过程对圆偏振响应的影响，也证明了平面手性超表面的不对称传输特性。如图1所示的CCD值则更直观地展示了不同dy对应的手性特性。结果表明超表面的手性响应不仅受到由结构不对称引起的结构手性的影响，还涉及谐振器之间的耦合作用。

图2. 对映体结构（Ⅰ型、Ⅱ型）超表面随dy变化的圆交叉极化转换透射的仿真结果和实验结果

随后，利用耦合模理论对透射谱进行分析，结果如图3所示，拟合曲线与仿真结果较为吻合。又提取了反映两个谐振器之间耦合强度的耦合系数g，以及劈裂峰频率间隔Δf。在不同dy下，Δf随耦合系数g的变化而同步变化，这一致性符合耦合模理论的预测，为分析结构间耦合作用对手性谱线的影响提供了有力论据。进一步提取0.656THz处的CCD值，CCD随耦合差Δg的变化一致，这一结果进一步阐明了手性与耦合的正相关关系，为设计手性增强器件提供了理论支撑。以上结论也从超表面的电场分析结果中得到验证。

图3 结合耦合模理论对手性谱分析的结果

4.应用与展望

文中通过观察圆交叉极化透射光谱和圆转换二色性谱（CCD）的变化，并结合耦合模式理论分析，揭示了超表面的手性与内在结构间耦合存在高度关联性。利用两个谐振器在不同相对位置时的耦合系数之差与CCD之间的强相关性，进一步证明了耦合是影响手性的主要因素。这一发现为研究手性与模式耦合的关系提供了理论依据，为设计手性超表面和增强圆转换二向色性提供了理论方法，在光学传感、极化成像和生物/化学检测等领域具有潜在的应用价值。

全文链接：https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0019

Nanophotonics公众号报道：https://mp.weixin.qq.com/s/WHrTtALMUc7w29F6Jx5nWQ