手性超材料的設(shè)計(jì)、電磁特性及應(yīng)用

徐新龍, 黃媛媛,姚澤瀚,王　倩,宇磊磊

(西北大學(xué) 光子學(xué)與光子技術(shù)研究所/光電技術(shù)與功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基地,陜西 西安　710069)

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·特約稿件·

手性超材料的設(shè)計(jì)、電磁特性及應(yīng)用

徐新龍, 黃媛媛,姚澤瀚,王倩,宇磊磊

(西北大學(xué) 光子學(xué)與光子技術(shù)研究所/光電技術(shù)與功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基地,陜西 西安710069)

綜述了手性超材料最新研究進(jìn)展。首先根據(jù)超材料的維度以及內(nèi)在手性和外在手性對(duì)手性材料進(jìn)行了系統(tǒng)的分類。在此基礎(chǔ)之上,分析了幾種典型的具有手性的超材料結(jié)構(gòu),并對(duì)其電磁性質(zhì)進(jìn)行了研究。最后對(duì)手性超材料的應(yīng)用進(jìn)行了分析,例如利用手性實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率, 利用手性超材料來增強(qiáng)生物傳感以及基于手性的偏振器件。手性超材料的研究將會(huì)促進(jìn)光電、納米、生物等學(xué)科的發(fā)展,并具有廣泛的應(yīng)用前景。

手性；超材料；旋光性；負(fù)折射率；傳感；太赫茲

電磁超材料(metamaterial)是一種由亞波長單元構(gòu)成的人工復(fù)合電磁材料。超材料的物理特性除了依賴于組成超材料的物質(zhì)的自然特性外,還依賴于組成超材料的結(jié)構(gòu)單元的幾何形狀和尺寸等。因此，其電磁性質(zhì)可以通過人工設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)諧,并通過微納加工技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)[1]。1999年英國帝國理工大學(xué)的Pendry教授提出由非磁性金屬材料構(gòu)成的亞波長尺度雙開口環(huán)諧振器(double split-ring resonator, DSRR),用于實(shí)現(xiàn)人工磁響應(yīng)[2]。其后超材料獲得了廣泛的關(guān)注,并被用于在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)自然材料很難實(shí)現(xiàn)的負(fù)折射率[3]。此后,基于超材料的隱身衣[4]、超吸收體[5]等性質(zhì)及其應(yīng)用也受到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。

目前超材料的研究有兩個(gè)方向的發(fā)展趨勢(shì)。首先,隨著近年微納加工技術(shù)的發(fā)展,超材料的研究范圍從微波波段進(jìn)一步往高頻發(fā)展。特別是對(duì)功能器件較少的太赫茲波段(1 THz=1012Hz)[6-8],超材料對(duì)THz波振幅、相位、偏振和傳播可以進(jìn)行靈活有效的調(diào)控,從而實(shí)現(xiàn)THz功能器件。因此，基于超材料的空間調(diào)制器、電調(diào)制器和超吸收體等方面的研究極大地推進(jìn)了對(duì)THz波的調(diào)控和THz功能器件的發(fā)展。其次,超材料和新型功能材料的結(jié)合也催生出一些新的器件。例如二維納米材料——石墨烯[9]與超材料的結(jié)合[10]進(jìn)一步提高了吸收體[11]、調(diào)制器[12]和折射率可調(diào)器件[13]等功能器件的性能,同時(shí)也為基于超材料的器件設(shè)計(jì)提供了新的思路。

除了上述兩方面,偏振態(tài)調(diào)控也是近年來超材料研究的熱點(diǎn)。手性超材料不僅能有效調(diào)控超材料的偏振,更能為超材料帶來獨(dú)特的手性特征,從而擴(kuò)大超材料在偏振和負(fù)折射率等方面的應(yīng)用。手性是指物體不能通過旋轉(zhuǎn)或平移等操作與其鏡像重合的性質(zhì)。在超材料概念提出前,關(guān)于手性的研究大都圍繞自然界中的手性介質(zhì)和分子的旋光性[14-15]。手性超材料的蓬勃發(fā)展則是在Pendry提出用手性超材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率現(xiàn)象[16]之后,從而打破了要實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率必須滿足介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)這一條件的限制。在Pendry之后，Tretyakov從理論上分析了由手性偶極粒子組成的手性介質(zhì)實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率的可能性[17]。此外,由金屬球體排列成螺旋狀三維超材料也在理論上被證明可以實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率[18]。在此之后,在各個(gè)頻率范圍內(nèi)對(duì)手性超材料的研究不斷涌現(xiàn)出來。Lindman作為先驅(qū)之一在1992年便探索了手性人工介質(zhì)在微波波段的性質(zhì)[19]；Zhang等人在實(shí)驗(yàn)上闡述了三維手性超材料在太赫茲范圍的負(fù)折射率現(xiàn)象[20]；Wang等人設(shè)計(jì)的三維手性超材料不僅可以實(shí)現(xiàn)微波波段的負(fù)折射率,同時(shí)具有非常好的旋光性和圓二向色性[21-22]。但是，限于當(dāng)時(shí)微納加工技術(shù)的限制,這些三維手性超材料在制作上存在一些困難，而與此同時(shí)關(guān)于制作相對(duì)簡單的平面手性超材料被證明同樣可以實(shí)現(xiàn)旋光性[23-25]。Arnaut等人最早將平面手性結(jié)構(gòu)引入到電磁學(xué)研究中來[26]。對(duì)僅有單層的手性超材料而言,光波在垂直入射時(shí)沿著傳輸方向不能觀察到旋光性[27]，但通過基底的存在打破傳輸方向的對(duì)稱性則可以實(shí)現(xiàn)平面手性超材料的旋光性[24-25]。這種平面結(jié)構(gòu)的超材料所得手性依然比較微弱,而Rogacheva等人的開創(chuàng)性工作則完美解決了這一問題,他們提出雙層手性結(jié)構(gòu)可以得到巨大的旋光性[28]。雙層手性結(jié)構(gòu)超材料與普通三維手性超材料略有不同，兩層間可以通過耦合實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電磁學(xué)性能。此后,不同形狀雙層手性結(jié)構(gòu)的研究開始層出不窮,例如花瓣形[29-30]、十字形[31]和萬字型[32]等。而人們也可以通過靈活的設(shè)計(jì)得到具有多種獨(dú)特性質(zhì)的手性超材料。

本文旨在對(duì)目前不同類別的手性超材料的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)歸納,并結(jié)合我們前期的工作進(jìn)一步研究超材料中手性出現(xiàn)的機(jī)制。

1　手性超材料簡介

1.1手性超材料的分類

手性最早顯現(xiàn)在自然結(jié)構(gòu)和分子中,如呈鏡像對(duì)稱的貝殼、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、氨基酸分子等(如圖1(a)～(c)所示)。這些自然結(jié)構(gòu)所顯示的三維手性都比較微弱且難以提高,因此不易得到實(shí)際應(yīng)用。應(yīng)運(yùn)而生的手性超材料不但可以提高手性特征和電磁響應(yīng)性質(zhì)使其被應(yīng)用在不同領(lǐng)域,還可控制超材料的物理參數(shù)得到不同頻率范圍的響應(yīng),因此手性超材料的研究已經(jīng)是超材料領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。

根據(jù)存在手性的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)是否為自然界本身存在,我們將手性結(jié)構(gòu)材料分為自然手性材料和手性超材料(人工手性材料),如圖1分類圖所示。手性超材料存在內(nèi)在和外在手性之分。具有內(nèi)在手性的超材料結(jié)構(gòu)單元(如圖1(d)和(e)所示[33])對(duì)于任何入射方向的電磁波都表現(xiàn)出手性特征。而外在手性主要出現(xiàn)在非手性結(jié)構(gòu)的超材料中,當(dāng)光波斜入射或傾斜樣品時(shí),非手性結(jié)構(gòu)的超材料與入射電磁波的波矢組成的系統(tǒng)不能與其鏡像重合,從而對(duì)稱性被打破,這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)具有外在手性(如圖1(f)和(g)所示),并表現(xiàn)出手性特性。除了內(nèi)在和外在手性之分,根據(jù)手性超材料的維度也可將其分為二維和三維兩種,而這兩種超材料所具有的典型特征不同,因此研究手性超材料的基本性質(zhì)同樣重要。

圖1　手性材料的分類[33] Fig.1　Classification of chiral metamaterials

1.2手性超材料的基本性質(zhì)

沿著兩個(gè)相反方向觀察二維和三維手性超材料可以得到不同的結(jié)果。以具有平面手性的阿基米德螺旋線為例,從相反方向觀察其旋轉(zhuǎn)方向不同,而三維手性結(jié)構(gòu)從兩個(gè)相反方向觀察旋轉(zhuǎn)方向相同。這就決定了對(duì)這兩種手性超材料的研究將會(huì)從不同的性質(zhì)方向出發(fā)。對(duì)于三維手性超材料而言,相反方向的對(duì)稱性使其具有兩種重要性質(zhì):旋光性和圓二向色性。如圖2(a)所示,旋光性是指可改變?nèi)肷涔馐钠駹顟B(tài),使偏振旋轉(zhuǎn)一定角度的一種性質(zhì),是一種與組成單元鏡面不對(duì)稱性相關(guān)聯(lián)的基本電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。因?yàn)槭中猿牧系莫?dú)特結(jié)構(gòu),左旋(left circular polarized, LCP)和右旋(right circular polarized, RCP)圓偏振光在傳輸時(shí)對(duì)應(yīng)不同的折射率,使得兩種圓偏振的光波間產(chǎn)生相位延遲,最終造成入射光偏振的旋轉(zhuǎn)。自1811年Arago發(fā)現(xiàn)石英晶體具有將線偏振光旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)后,便在分析化學(xué)、晶體學(xué)、分子生物學(xué)中和食品工業(yè)、醫(yī)藥、催化工業(yè)中發(fā)揮了重要的應(yīng)用價(jià)值[28-34]。這是因?yàn)椴煌中苑肿訁⒓拥幕瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)制不一樣,對(duì)人體也具有不同的生理作用,因此對(duì)手性的測(cè)量和手性分子的分離一直是物理、化學(xué)、生物等學(xué)科研究的重點(diǎn)。旋光性的強(qiáng)弱與入射光的偏振狀態(tài)無關(guān),其數(shù)值大小可通過偏振光的偏振方位旋轉(zhuǎn)角求得

(1)

(2)

(a)三維手性超材料旋光性和圓二向色性示意圖;(b)二維手性超材料不對(duì)稱傳輸示意圖;(c)手性超材料透過率的實(shí)驗(yàn)測(cè)量[35]圖2　手性材料的基本性質(zhì)Fig.2　Basic properties of chiral media

自然界中存在的二維手性結(jié)構(gòu)很稀少,因此對(duì)于二維手性結(jié)構(gòu)的研究在近幾年來才逐漸開展起來。二維手性結(jié)構(gòu)在前向和背向方向觀察旋轉(zhuǎn)方向是不同的,光波在兩個(gè)方向傳輸也會(huì)得到不同的性質(zhì)。偏振旋轉(zhuǎn)和橢圓率的改變最早發(fā)現(xiàn)于二維手性光柵[23],2006年關(guān)于二維手性超材料的圓轉(zhuǎn)換二向色性第一次被Fedotov等人在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行闡述[36]。圓轉(zhuǎn)換二向色性是指左旋到右旋圓偏光和右旋到左旋圓偏光的轉(zhuǎn)換效率不同,并且在相反傳輸方向下兩個(gè)效率值互換,即前向傳輸左旋到右旋(右旋到左旋)與背向傳輸右旋到左旋(左旋到右旋)的轉(zhuǎn)換效率相等。因?yàn)樵谇昂髢蓚€(gè)方向入射光產(chǎn)生的透射率不同,這種性質(zhì)也可稱作不對(duì)稱傳輸。如圖2(b)所示,左旋和右旋光入射光在兩個(gè)方向的透射率轉(zhuǎn)換效率不同,這引起了不對(duì)稱性傳輸。這種方向性的不對(duì)稱性不僅體現(xiàn)在透射率,還體現(xiàn)在反射率和吸收率上。關(guān)于各向異性有損耗的二維手性超材料對(duì)圓偏光的不對(duì)稱透射率在微波[36]、太赫茲[37]和可見波段[38]都有研究。Plum等人同樣將這一手性性質(zhì)拓展到了非手性超材料結(jié)構(gòu)中[33],通過外在手性也得到了圓轉(zhuǎn)換二向色性。

手性超材料的透射和反射的實(shí)驗(yàn)測(cè)量在微波波段常利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)(Agilent E8364B)實(shí)現(xiàn),并利用一對(duì)喇叭天線作為發(fā)射體和接收體(圖2(c))[35, 39]。從喇叭天線出射的光波是線偏振光,因此測(cè)量到的也是線偏振透射率Txx,Txy,Tyx和Tyy(下標(biāo)中‘x’‘y’分別代表沿x和y方向偏振的光波,例如‘xx’代表出射和入射光波均沿x方向偏振)。利用式(3)，圓偏振透射率可以通過線偏振測(cè)量獲得

(3)

圓偏振反射率R++,R-+,R+-,R--也可用類似形式表達(dá)。

與普通超材料不同,手性超材料的電磁性質(zhì)與沿著相同方向的電場(chǎng)和磁場(chǎng)間的交叉耦合有關(guān)[40]。電磁波傳輸經(jīng)過手性結(jié)構(gòu)服從以下關(guān)系

(4)

其中ε0和μ0是真空介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,εr和μr是手性介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,c是真空中光速,κ作為手性參數(shù)代表了電場(chǎng)和磁場(chǎng)交叉耦合的強(qiáng)度,也是對(duì)手性強(qiáng)度的一種表征。通過手性超材料實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率就是基于κ的大小。左旋和右旋圓偏光的折射率可通過以下公式求得

(5)

1.3手性超材料的有效參數(shù)提取

(6)

同樣，在第二個(gè)界面x=d處(見圖3),有

(7)

因?yàn)閗++k-=2nk0,可從上述方程中求得透射率和反射率與其他系數(shù)的關(guān)系

(8)

對(duì)于LCP和RCP光波兩種情況下阻抗相等,因此R+和R-相等。對(duì)于κ=0的介質(zhì)有:

R±=R，T±=Te±iκk0d。

(9)

基于上述方程,可通過已得透射率和反射率求得阻抗和折射率

(10)

其中m可以為任意整數(shù),但要滿足阻抗實(shí)部和折射率虛部為正的條件。一旦阻抗和折射率確定,其他有效參數(shù)就相應(yīng)得出:κ=(n+-n-)/2折射率n=(n+-n-)/2,磁導(dǎo)率和介電常數(shù)為μ=nz,ε=n/z。

圖3　光束從左側(cè)入射到手性超材料薄層的透射率和反射率示意圖Fig.3　Diagram of transmissions and reflections of circular polarized wave illuminating chiral metamaterial slab from the left

2　典型手性超材料結(jié)構(gòu)及其電磁性質(zhì)

2.1二維平面手性超材料結(jié)構(gòu)及其電磁性質(zhì)

平面手性超材料在2000年超材料提出后才逐步得到發(fā)展,而在此之前已有研究者提出二維尺度的手性概念[42-43]。早期的闡述大多都是理論探討和計(jì)算,2003年P(guān)apakostas等人最早在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)平面手性超材料的性質(zhì)探究[23]。此后,關(guān)于平面手性超材料的探究逐漸趨于系統(tǒng)和完整化。平面手性超材料具有將部分入射圓偏振光轉(zhuǎn)換為相反偏振方向的性質(zhì),并且在不對(duì)稱傳輸中,轉(zhuǎn)換效率在光線相反傳輸情況下是不同的。不對(duì)稱傳輸與制作在基底上的平面手性結(jié)構(gòu)所引起的不對(duì)稱耗散有關(guān)。在正常入射條件下這種現(xiàn)象只存在于各向異性有損耗的手性超材料結(jié)構(gòu)中。而在斜入射條件下引入外在手性,入射面內(nèi)或者垂直方向沒有鏡面對(duì)稱線,因此也可看到有損耗平面超材料中的不對(duì)稱透射現(xiàn)象。

具有內(nèi)在的平面手性超材料,其鏡像不能與原圖形重合,常見的超材料圖形都是通過打破對(duì)稱性來滿足這一要求(如圖4所示)。除了圖4中列舉的曲線圖形,開口環(huán)諧振器(split ring resonator, SRR)結(jié)構(gòu)也在手性超材料中得到了廣泛應(yīng)用和系統(tǒng)研究。如圖5所示為不對(duì)稱金屬諧振環(huán)對(duì)構(gòu)成的平面手性超材料,該結(jié)構(gòu)通過長邊開口和短邊開口使對(duì)稱性破缺,因此從前向和背向觀察會(huì)呈現(xiàn)出不同的圖樣,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的不對(duì)稱傳輸[45],如圖5(b)和(c)所示。

(a)為魚鱗狀超分子結(jié)構(gòu)[36]；(b)魚鱗狀手性超材料結(jié)構(gòu)[38]；(c)為由獨(dú)立金屬構(gòu)成曲線手性納米結(jié)構(gòu)[44]圖4　具有圓轉(zhuǎn)換二向色性的典型內(nèi)在手性平面超材料Fig.4　Typical intrinsic chiral planar metamaterials with circular conversion dichroism

(a)為超材料陣列和單元結(jié)構(gòu)；(b)和(c)為圓偏振太赫茲波從結(jié)構(gòu)前向和背向入射的實(shí)驗(yàn)和仿真透射率結(jié)果[45]圖5　太赫茲波段平面手性超材料Fig.5　Planar chiral metamaterial in THz region

(a)內(nèi)在結(jié)構(gòu)性手性[39];(b)外在分子性手性;(c)外在結(jié)構(gòu)性手性圖6　其他具有二維手性平面超材料Fig.6　Other planar metamaterials

與內(nèi)在二維手性超材料類似,上述外在手性超材料具有分子性手性,即在傾斜超材料后每個(gè)單元分子單獨(dú)看來都具有手性。而對(duì)于非手性單元分子,則可以通過對(duì)非手性分子的陣列排布和傾斜激勵(lì)獲得,此時(shí)獲得的手性稱為外在結(jié)構(gòu)性手性。Plum等人在內(nèi)在結(jié)構(gòu)性手性超材料的基礎(chǔ)上,對(duì)以雙圓環(huán)陣列組成的外在結(jié)構(gòu)性手性超材料進(jìn)行探究[39]。如圖6(c)所示,先改變光波入射角度為30°,再將超材料沿著面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一定角度φ后,圓轉(zhuǎn)換二向色性現(xiàn)象因?yàn)橥庠谑中缘某霈F(xiàn)而顯現(xiàn)出來[39]。也說明了外在結(jié)構(gòu)性手性超材料具有和分子性手性一致的二維手性特征?？傮w說來,能實(shí)現(xiàn)二維手性最主要的性質(zhì)圓轉(zhuǎn)換二向色性的超材料主要有4種:內(nèi)在分子性手性、內(nèi)在結(jié)構(gòu)性手性、外在分子性手性和外在結(jié)構(gòu)性手性超材料。這4種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性研究使其可以在偏振敏感器件和圓偏振轉(zhuǎn)換等方向發(fā)揮其潛在的應(yīng)用,也為各波段光波特別是近些年被廣泛關(guān)注的太赫茲波的調(diào)控提供了新穎的思路和方法。

2.2三維手性超材料結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)

三維手性介質(zhì)如糖溶液、石英等的手性和平面手性結(jié)構(gòu)不同,三維手性結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)方向在兩個(gè)相反方向觀察是一致的,因此光波沿著相反方向入射可得到一致的透射率,故而不具有圓轉(zhuǎn)換二向色性,但三維手性超材料卻有著優(yōu)異的旋光性和圓二向色性。對(duì)于具有內(nèi)在手性的三維超材料,我們?cè)O(shè)計(jì)并仿真模擬了基于太極圖樣的雙層手性超材料,而層間的電磁耦合效應(yīng)在太赫茲范圍實(shí)現(xiàn)了極大的旋光性和圓二向色性[46]。從圖7(a)所示的單元結(jié)構(gòu)示意圖中可以看出,該超材料具有內(nèi)在三維手性。從圖7 (b)中也可以看出，雖然如前所述LCP和RCP入射波的反射率基本相同,但透射率在第一個(gè)共振F1=1.85 THz后開始出現(xiàn)明顯差異,特別是在兩個(gè)共振位置處。通過分析共振處的兩種圓偏光入射下表面電流分布可以得出透射率不同的原因。如圖7(c)和(e)所示F1處的電流分布,RCP波入射在兩層圖樣的尖端處，激勵(lì)出逆時(shí)針流動(dòng)的強(qiáng)電流，入射THz波與手性結(jié)構(gòu)相互作用,因此此處透射率比LCP的透射率低許多。而LCP入射下兩層結(jié)構(gòu)中激勵(lì)出相同流動(dòng)方向的電荷則非常微弱,由此引起的弱相互作用使透射率值較高。與F1類似,在共振頻率F2處LCP同樣在兩層激勵(lì)出相同方向電荷分布,而RCP激勵(lì)出順時(shí)針流動(dòng)電荷。但此時(shí)LCP激勵(lì)出更強(qiáng)的電流,因此透過率更低。此外,在LCP激勵(lì)下的相同電流分布會(huì)增大回復(fù)力,使共振出現(xiàn)在更高頻位置(F2),我們稱其為不對(duì)稱模式。相反RCP對(duì)應(yīng)的低頻共振(F1)則稱為對(duì)稱模式。

(a)單元結(jié)構(gòu)示意圖;(b)紅色和藍(lán)色曲線分別為超材料在LCP和RCP波入射下的透射,黑色曲線為反射率光譜[46];(c)～(f)為兩個(gè)共振頻率F1和F2處兩種圓偏光入射對(duì)應(yīng)的表面電流分布圖7　內(nèi)在三維手性雙層超材料Fig.7　Intrinsic 3D chiral bilayer metamaterial

與此同時(shí),正是該手性超材料結(jié)構(gòu)的特殊性實(shí)現(xiàn)了對(duì)THz波偏振的改變。如圖8 (c) 所示為該雙層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的偏振旋轉(zhuǎn)角和橢圓率。偏振旋轉(zhuǎn)角在F1和F2處分別達(dá)到了兩個(gè)峰值145°和86°,而橢圓率也從0.37°變到了-0.37°。而在兩個(gè)共振間橢圓率幾乎為零的位置,純旋轉(zhuǎn)角也高達(dá)19°?？紤]結(jié)構(gòu)微米量級(jí)的厚度和F1處對(duì)應(yīng)的波長,可得到該手性結(jié)構(gòu)的峰值和純旋轉(zhuǎn)角分別高達(dá)2 258°/λ和296°/λ。對(duì)比具有旋光性的自然介質(zhì)如石英(在400 nm處0.02°/λ),該手性超材料的旋光性高出數(shù)倍。特別地,在雙層手性超材料的基礎(chǔ)上,改變層數(shù)也能得到不同的手性特征。如圖8(a)中所標(biāo)注結(jié)構(gòu)的不同層數(shù),從(b)中得到單層和3層的結(jié)構(gòu)不具有手性特征,而雙層和4層則有明顯的旋光性和圓二向色性。同樣通過電流模式的分析我們得到,單層和3層結(jié)構(gòu)中被LCP和RCP激勵(lì)出的模式一致,而另兩種情況則不然,因此對(duì)入射光的偏振狀態(tài)更加敏感,也更易使入射線偏振光旋轉(zhuǎn)。這種奇偶層數(shù)的明顯差異可被用來實(shí)現(xiàn)手性的激勵(lì)和湮滅。

(a)多層圖樣超材料示意圖;(b)當(dāng)結(jié)構(gòu)包含層數(shù)為單層和3層時(shí)對(duì)應(yīng)LCP和RCP波的透射率光譜;(c)和(d)為雙層和4層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的偏振旋轉(zhuǎn)角和橢圓率[46]圖8　不同層數(shù)太極圖樣超材料Fig.8　Tai Chi pattern metamaterial with different layers

除了上述旋光性和圓二向色性的特征外,通過三維手性超材料還可以實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率現(xiàn)象。如圖9所示，為Plum等人研究的手性超材料[29],圖(a)和圖(b)分別為多層和雙層手性超材料的單元結(jié)構(gòu)示意圖,圖(c)所示為雙層圖樣超材料基于透射和反射率提取到的手性和非手性超材料的有效參數(shù):折射率n±，手性參數(shù)κ，磁導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε。可以看到,在共振A和B處手性參數(shù)有最大值并且分別得到負(fù)磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。特別地,即使沒有得到同時(shí)為負(fù)的μ和ε,仍然可以在兩個(gè)位置處實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率。該手性超材料實(shí)現(xiàn)了微波范圍的負(fù)折射率,同樣太赫茲范圍的負(fù)折射率也可以通過手性超材料實(shí)現(xiàn)[47]。

(a)多層結(jié)構(gòu)單元示意圖；(b)雙層結(jié)構(gòu)陣列示意圖；(c)實(shí)驗(yàn)中得到雙層手性超材料的有效參數(shù):折射率n±,手性參數(shù)κ,磁導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε[29]圖9　內(nèi)在三維手性超材料Fig.9　Intrinsic 3D chiral metamaterial

除了本身具有三維內(nèi)在手性的超材料,外在三維手性同樣可以實(shí)現(xiàn)旋光性和圓二向色性,并發(fā)揮其獨(dú)特的光電性質(zhì)。與外在二維手性類似,外在三維手性的實(shí)現(xiàn)通常需要光波斜入射,且其手性特征的強(qiáng)度也依賴于入射角度。但這也使得與外在三維手性相比，內(nèi)在手性具有更好的靈活性和可調(diào)節(jié)性。關(guān)于外在手性實(shí)現(xiàn)旋光性的可能性早在1945年被提出,在40多年前也有人利用液晶做過光線傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)[48]。而Plum等人的工作則使得外在三維手性在超材料中的研究趨于可行化和系統(tǒng)化[34, 49]。他們第一次在實(shí)驗(yàn)上闡述了通過平面超材料得到的外在三維手性可以實(shí)現(xiàn)旋光性和圓二向色性[49]。如圖10 (a)所示結(jié)構(gòu)可以看到該超材料由普通開口環(huán)組成,在光波正入射下,將超材料平面沿著鏡面對(duì)稱線旋轉(zhuǎn)即等同于斜入射情況。從圖10 (b)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)平面30°的結(jié)果看到LCP和RCP波的直接透射率在5～7 GHz內(nèi)有明顯不同,說明了圓二向色性和旋光性的存在。從圖10(c)和(d)中可以看出在0°正常入射情況下幾乎看不到手性特征,而隨著角度增大在共振位置處圓二向色性和旋光性都隨之逐漸增大。并且相反旋轉(zhuǎn)角得到的結(jié)果一致，只是符號(hào)相反。對(duì)比其他三維手性超材料不難看出,這種基于平面超材料得到的三維手性不但制作簡單,也能快速實(shí)現(xiàn)對(duì)圓二向色性和旋光性的調(diào)節(jié),因此在偏振調(diào)控方面具有極大的潛力。

(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)LCP和RCP波的透射率光譜；(c)和(d)當(dāng)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度從0°增大至30°對(duì)應(yīng)的圓二向色性和偏振旋轉(zhuǎn)角[49]圖10　由平面超材料實(shí)現(xiàn)外在三維手性Fig.10　Extrinsic 3D chiral based planar metamaterial

3　手性超材料的應(yīng)用

3.1基于手性超材料實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率

當(dāng)LCP和RCP波通過手性結(jié)構(gòu)得到不同的透射率,進(jìn)一步可以得到不同的折射率,而在手性參數(shù)κ更大的圓偏光下可以得到負(fù)折射率。因此通常用來實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率的手性超材料都具有圓二向色性。如圖11 (a) 所示為最早在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)太赫茲頻率的手性超材料結(jié)構(gòu)[20]。該結(jié)構(gòu)由四對(duì)垂直排列的諧振體構(gòu)成,每對(duì)由金屬條帶連接構(gòu)成手性結(jié)構(gòu)。圖11(b)～(d)的負(fù)折射率響應(yīng)均出現(xiàn)在GHz (1 GHz=109Hz),3種手性超材料對(duì)應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[22, 50-51]。手性超材料在實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率方面的闡述也為研究光波電磁性質(zhì)提供了新的思路。

(a)垂直諧振體手性結(jié)構(gòu)[20];(b)由4個(gè)連結(jié)的SRR對(duì)構(gòu)成手性結(jié)構(gòu)[22];(c)互補(bǔ)型十字線對(duì)手性結(jié)構(gòu)[50],(d)由4個(gè)‘U’型SRR構(gòu)成手性結(jié)構(gòu)[51]圖11　典型可實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率的手性超材料Fig.11　Typical chiral metamaterials with negative refractive index

3.2手性超材料增強(qiáng)生物傳感

一些生命基本分子由手性分子單元如氨基酸和糖分子等構(gòu)成,因此,手性敏感光譜技術(shù)如圓二向色性、光學(xué)旋轉(zhuǎn)色散關(guān)系和拉曼旋光性等都可用來探測(cè)和表征三維生物宏觀分子結(jié)構(gòu),在生物分子科學(xué)中被廣泛使用[52]。Hendry等人通過平面手性超材料大幅度地增強(qiáng)手性光學(xué)測(cè)量的靈敏性,實(shí)現(xiàn)了皮克量級(jí)分子的探測(cè)和表征。如圖12 (a)所示為由不同旋轉(zhuǎn)方向萬字形單元構(gòu)成的平面手性超材料結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的圓二向色性譜(circular dichroism，CD),從中可以看到在3個(gè)共振位置處有由金引起的等離子體共振響應(yīng),這個(gè)位置手性的靈敏度最強(qiáng),當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)分子吸附上超材料結(jié)構(gòu)后,對(duì)比其吸附后對(duì)共振的影響就可以得到該蛋白質(zhì)分子的表征(圖12(b))。

(a)兩種相反旋轉(zhuǎn)方向萬字形構(gòu)成超材料的CD譜;(b)血紅蛋白、熱處理變性β-乳球蛋白、β-乳球蛋白分子在吸附后對(duì)CD譜的影響,紅色和黑色分別代表吸附前和吸附后的結(jié)果[52]圖12　平面手性超材料表征蛋白質(zhì)分子Fig.12　Protein molecules Characterization based on planar chiral metamaterials (PCMs)

3.3基于手性超材料的光學(xué)元器件

手性超材料對(duì)電磁波獨(dú)特的調(diào)控特點(diǎn)使其在各種光學(xué)元器件中也有廣泛的應(yīng)用。Wang等人在用四對(duì)連結(jié)形成手性結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加上兩個(gè)金屬板形成了吸收體[21]。如圖13 (a)～(b)所示,該吸收體不受入射角度和偏振的影響,可實(shí)現(xiàn)吸收率接近于100%。而在偏振旋轉(zhuǎn)方面,Gansel等人設(shè)計(jì)的螺旋形手性光子超材料可以阻擋和螺旋結(jié)構(gòu)同旋轉(zhuǎn)方向的圓偏振光而使另一個(gè)圓偏光通過[53]。并且通過增加螺旋片層結(jié)構(gòu)的數(shù)量可以使偏振作用的波長范圍增大,實(shí)現(xiàn)寬頻偏振片。Ye等人將4個(gè)相同的金屬線排列成首尾相接的方形以形成手性結(jié)構(gòu)[54],該手性超材料可使線偏振光在通過結(jié)構(gòu)后偏振旋轉(zhuǎn)成垂直于之前的方向,實(shí)現(xiàn)了幾乎90°的偏振旋轉(zhuǎn)。這種垂直偏振旋轉(zhuǎn)效率高達(dá)90%的手性超材料使其在遠(yuǎn)程通信等方面有著巨大的應(yīng)用潛力。

(a)和(b)手性超材料吸收體及其吸收率光譜[21];(c)寬帶圓偏振片[53];(d)90°偏振旋轉(zhuǎn)體[54]圖13　基于手性超材料的光學(xué)元件Fig.13　Optic components based on chiral metamaterials

4　總結(jié)和展望

手性超材料在光電等領(lǐng)域?qū)獠ǖ钠裾{(diào)控和電磁波性質(zhì)探究等都有著廣泛的應(yīng)用,特別是在生物科學(xué)領(lǐng)域的手性分子傳感方面具有巨大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景。具有不同維度和性質(zhì)的手性超材料具有不同的應(yīng)用價(jià)值,因此需要根據(jù)手性超材料的特征對(duì)其分類進(jìn)行歸納闡述。手性超材料根據(jù)結(jié)構(gòu)本身是否具有手性可將其分為內(nèi)在和外在手性超材料,而兩類又可根據(jù)維度分為二維和三維手性超材料。二維平面手性超材料最主要的性質(zhì)為圓轉(zhuǎn)換二向色性,可在偏振敏感器件和圓偏振轉(zhuǎn)換以及太赫茲波調(diào)控等方向發(fā)揮其潛在的應(yīng)用。三維手性超材料相比自然材料和二維手性超材料具有優(yōu)異的旋光性和圓二向色性,特別地,可以突破介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的限制而實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率。因此，三維手性超材料在光學(xué)、生命科學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。

從近些年手性超材料的研究中可以看到它的發(fā)展也面臨著機(jī)遇和挑戰(zhàn)。手性超材料主要應(yīng)用的材料種類較少,需要考慮多種材料如半導(dǎo)體、超導(dǎo)材料、熱敏材料、相變材料或新型二維材料等，使手性的設(shè)計(jì)和性能更加多元化。同時(shí)因?yàn)槲⒓庸すに嚾孕柽M(jìn)一步提高與完善,關(guān)于三維手性超材料的實(shí)驗(yàn)報(bào)道較少,特別是近幾年逐漸發(fā)展起來的THz波段。在應(yīng)用方面,雖然手性超材料能實(shí)現(xiàn)對(duì)光波偏振的調(diào)控,在生物分子測(cè)定等方面有巨大潛力,但具體將手性超材料與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來的例子較少,手性超材料完美應(yīng)用于實(shí)際中還需要進(jìn)一步的研究與實(shí)踐。手性超材料未來需要在可見光,太赫茲等多波段設(shè)計(jì)出更多新穎獨(dú)特的手性結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)奇特的光電性能,使其在光電子學(xué)、通信、納米和生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮其無限的潛力。

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(編輯李靜，曹大剛)

作者簡介

徐新龍，2006年于中國科學(xué)院物理研究所取得博士學(xué)位，先后在中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心、英國牛津大學(xué)物理系、新加坡南洋理工大學(xué)物理系等單位做研究助理、博士后工作。2011年到中國科學(xué)院物理研究所工作，任副研究員；后調(diào)入西北大學(xué)光子學(xué)與光子技術(shù)研究所，任教授，博士生導(dǎo)師。

主要從事超快光學(xué)，太赫茲物理及器件，超材料及二維材料性質(zhì)及器件等方面的研究與教學(xué)工作。先后主持國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、軍口“863”項(xiàng)目、陜西省科技新星項(xiàng)目等6項(xiàng)。2011年入選陜西省青年百人計(jì)劃，2012年獲得陜西省科技新星榮譽(yù)稱號(hào)。在《NanoLetters》，《ACSNano》，《PhysicsReviewB》，《AppliedPhysicsLetters》等國際國內(nèi)期刊發(fā)表SCI論文50余篇。關(guān)于柔性超材料的研究工作被Nature Asia Materials等作為研究亮點(diǎn)報(bào)道。

The design, electromagnetic properties and applications of chiral metamaterials

XU Xin-long, HUANG Yuan-yuan, YAO Ze-han, WANG Qian, YU Lei-lei

(Institute of Photonics & Photon-Technology/State Key Lab Incubation Base of Photoelectric Technology and Functional Materials, Northwest University, Xi′an 710069, China)

This paper reviews the latest research progresses on chiral metamaterials. First of all, the chiral materials were classified systematically according to the dimension of metamaterial, intrinsic chirality and extrinsic chirality. Based on the classification, several typical metamaterials were analyzed with chirality and investigate the electromagnetic properties. In the end, the applications of chiral metamaterial were demonstrated, for instance, negative refractive index phenomenon based on chirality, bio-sensing enhancement using chiral metamaterial and some other polarization devices based on chirality. The research of chiral metamaterial could not only promote the developments of optoelectronics, nano-technology, biology and some other subjects, but also has extensive application prospect.

chirality； metamaterial； optical activity； negative refractive index； sensor； terahertz

2015-11-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11374240);國家教育部基金資助項(xiàng)目(2013101110007);陜西省教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(13JS101);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(2014CB339800)

徐新龍，男，江蘇南通人，西北大學(xué)教授，從事光電子學(xué)研究。

O441.6

ADOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-01-001