中國(guó)科大首次實(shí)現(xiàn)弱手性物質(zhì)誘導(dǎo)下的兩個(gè)光學(xué)模式之間的強(qiáng)耦合
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(shí)間（PT）對(duì)稱。最基本的耦合系統(tǒng)由兩個(gè)共振模式組成，當(dāng)二者的能量交換速率大于各自的衰減速率時(shí)，可實(shí)現(xiàn)模式間的強(qiáng)耦合。通常，耦合強(qiáng)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(shí)現(xiàn)模式強(qiáng)耦合的主要途徑。除此之外，還可以通過(guò)外源手性物質(zhì)的引入來(lái)誘導(dǎo)模式耦合，因?yàn)槭中晕镔|(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(shí)現(xiàn)的耦合強(qiáng)度也非常弱，弱手性能否誘導(dǎo)共振模式之間的強(qiáng)耦合仍是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。4月6日，中國(guó)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(tuán)隊(duì)與新加坡國(guó)立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系Cheng-Wei Qiu教授團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)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(shí)現(xiàn)弱手性物質(zhì)誘導(dǎo)下的兩個(gè)光學(xué)模式之間的強(qiáng)耦合，并理論驗(yàn)證了對(duì)手性物質(zhì)圓二色性（CD）信號(hào)增強(qiáng)三個(gè)數(shù)量級(jí)。 KQmZ#W%2m
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該工作首先基于耦合模理論建立了一個(gè)手性相關(guān)的哈密頓量用于定量化評(píng)估共振模式間手性誘導(dǎo)耦合的強(qiáng)度與手性物質(zhì)κ間的關(guān)系： Z'M`}3O
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在零失諧條件下，由模式耦合混雜產(chǎn)生的兩個(gè)新模式的特征頻率為 )^/0cQcJ
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通過(guò)進(jìn)一步分析可以得出兩共振模式實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合的條件，即二者具有高品質(zhì)因子Q且服從電磁對(duì)偶性。 ycX{NDGs
針對(duì)這一條件，作者設(shè)計(jì)了一個(gè)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(duì)稱被擾動(dòng)Δ打破，在布里淵區(qū)的中心（Γ點(diǎn)）會(huì)產(chǎn)生一系列具有高Q值的連續(xù)域中準(zhǔn)束縛態(tài)(準(zhǔn)BIC)。進(jìn)一步，作者選取了TE4和TM1這一對(duì)遠(yuǎn)離其它模式且近似滿足電磁對(duì)偶性的準(zhǔn)BIC態(tài)，并通過(guò)調(diào)節(jié)介質(zhì)板的厚度使二者在Γ點(diǎn)處發(fā)生簡(jiǎn)并。由于這兩個(gè)模式是正交的，當(dāng)無(wú)外源手性引入時(shí)，二者不發(fā)生耦合，而當(dāng)κ=(2+0.4i)×10−4的手性溶液引入該系統(tǒng)時(shí)，會(huì)誘導(dǎo)兩個(gè)準(zhǔn)BIC態(tài)的耦合，產(chǎn)生強(qiáng)拉比劈裂（Rabi splitting）并形成兩個(gè)新的混雜模式，即上支UB和下支LB（圖1b）。根據(jù)計(jì)算，產(chǎn)生的拉比劈裂值大于兩個(gè)模式線寬，因而嚴(yán)格滿足強(qiáng)耦合條件。 o "" ~jc~
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[attachment=111912] 圖1.（a）超表面光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。超表面的幾何參數(shù)為：周期a = 550 nm，半徑r = 200 nm，擾動(dòng)尺寸Δ = 10 nm，厚度t = 165.9 nm。（b）仿真和模型計(jì)算得到的不同厚度t下上支和下支的特征頻率以及耦合前TM1和TE4模式的本征頻率（虛線）。 本文還系統(tǒng)分析了兩個(gè)模式的拉比劈裂和損耗的重新分配與κ的實(shí)部和虛部之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并研究了兩個(gè)混雜模式的本征偏振隨模式耦合強(qiáng)度的演化過(guò)程。同時(shí)，手性誘導(dǎo)的模式耦合還為檢測(cè)手性物質(zhì)提供了一個(gè)通用平臺(tái)。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(cè)分子手性對(duì)疾病診斷、藥物研發(fā)、疫情防控都具有重要價(jià)值。如圖2a所示，當(dāng)本文提出的強(qiáng)耦合系統(tǒng)在圓偏光正入射時(shí)，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(shí)），上支可以實(shí)現(xiàn)的最大CD值高達(dá)0.1，相比于無(wú)超表面的情況，該CD值提高了3000倍，比已有其它工作可以實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)值提高了接近兩個(gè)數(shù)量級(jí)（圖2b）。該研究為實(shí)現(xiàn)模式強(qiáng)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(jià)值；同時(shí)也在手性分子檢測(cè)、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(jià)值。 .\)A@ua^
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圖2. (a)不同厚度超表面的CD光譜。(b)超表面厚度t=165.9 nm時(shí)的圓偏振光吸收譜和CD譜。
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