模式耦合（mode coupling）是現(xiàn)代光子學(xué)的基石，許多重要的現(xiàn)象由此產(chǎn)生，如法諾共振（Fano resonance）、電磁感應(yīng)透明（EIT）、連續(xù)域束縛態(tài)（BIC）和宇稱時間（PT）對稱。最基本的耦合系統(tǒng)由兩個共振模式組成，當二者的能量交換速率大于各自的衰減速率時，可實現(xiàn)模式間的強耦合。通常，耦合強度由光學(xué)結(jié)構(gòu)的幾何形貌或材料的折射率決定，這種情況可歸類為光學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)在調(diào)制，是實現(xiàn)模式強耦合的主要途徑。除此之外，還可以通過外源手性物質(zhì)的引入來誘導(dǎo)模式耦合，因為手性物質(zhì)的非零巴斯德參數(shù)（Pasteur parameter, κ）可以誘導(dǎo)磁電相互作用。然而，由于天然手性物質(zhì)（如氨基酸、蛋白質(zhì)、糖）的κ極弱，導(dǎo)致可實現(xiàn)的耦合強度也非常弱，弱手性能否誘導(dǎo)共振模式之間的強耦合仍是一個懸而未決的問題。4月6日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程學(xué)院陳楊研究員、吳東教授、褚家如教授聯(lián)合團隊與新加坡國立大學(xué)電氣與計算機工程系Cheng-Wei Qiu教授團隊合作，在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Letters》上發(fā)表題為“Can weak chirality induce strong coupling between resonant states?”的論文，首次實現(xiàn)弱手性物質(zhì)誘導(dǎo)下的兩個光學(xué)模式之間的強耦合，并理論驗證了對手性物質(zhì)圓二色性（CD）信號增強三個數(shù)量級。 reI4!,x  
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該工作首先基于耦合模理論建立了一個手性相關(guān)的哈密頓量用于定量化評估共振模式間手性誘導(dǎo)耦合的強度與手性物質(zhì)κ間的關(guān)系： Boj#r ,x  
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針對這一條件，作者設(shè)計了一個全介質(zhì)超表面（圖1a），由介質(zhì)板（n=2.4）上二維周期性的圓孔陣列構(gòu)成。由于結(jié)構(gòu)的C2對稱被擾動Δ打破，在布里淵區(qū)的中心（Γ點）會產(chǎn)生一系列具有高Q值的連續(xù)域中準束縛態(tài)(準BIC)。進一步，作者選取了TE4和TM1這一對遠離其它模式且近似滿足電磁對偶性的準BIC態(tài)，并通過調(diào)節(jié)介質(zhì)板的厚度使二者在Γ點處發(fā)生簡并。由于這兩個模式是正交的，當無外源手性引入時，二者不發(fā)生耦合，而當κ=(2+0.4i)×10−4的手性溶液引入該系統(tǒng)時，會誘導(dǎo)兩個準BIC態(tài)的耦合，產(chǎn)生強拉比劈裂（Rabi splitting）并形成兩個新的混雜模式，即上支UB和下支LB（圖1b）。根據(jù)計算，產(chǎn)生的拉比劈裂值大于兩個模式線寬，因而嚴格滿足強耦合條件。 tFvXVfml  
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本文還系統(tǒng)分析了兩個模式的拉比劈裂和損耗的重新分配與κ的實部和虛部之間的對應(yīng)關(guān)系，并研究了兩個混雜模式的本征偏振隨模式耦合強度的演化過程。同時，手性誘導(dǎo)的模式耦合還為檢測手性物質(zhì)提供了一個通用平臺。由于目前市面上90%以上的藥物都是由手性分子構(gòu)成，而具有不同手性的藥物分子往往具有截然不同的生理功能，因此檢測分子手性對疾病診斷、藥物研發(fā)、疫情防控都具有重要價值。如圖2a所示，當本文提出的強耦合系統(tǒng)在圓偏光正入射時，隨著厚度t變化，其CD譜表現(xiàn)出明顯的上下兩支。而在零失諧條件下（t=165.9 nm時），上支可以實現(xiàn)的最大CD值高達0.1，相比于無超表面的情況，該CD值提高了3000倍，比已有其它工作可以實現(xiàn)的增強值提高了接近兩個數(shù)量級（圖2b）。該研究為實現(xiàn)模式強耦合提供了新路徑，在手性光學(xué)、微納光學(xué)領(lǐng)域具有重要理論價值；同時也在手性分子檢測、圓偏振激光發(fā)射和量子光學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。 FT[of(g^  
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該研究得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)啟動基金、中國國家自然科學(xué)基金、國家重點科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)項目和新加坡先進研究及科技創(chuàng)新中心的資助。 =HHtLW.|,  
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文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.146102