基于光学微纳结构奇异点的光场手征特性调控及分子手性探测

Chiral molecules are pervasive in natural world and the molecular chirality determines their physical and chemical properties. Detection and characterization of these chiral enantiomers are of considerable importance for biochemical, pharmaceutical industries, chemical industry and environment. On the other hand, in recent years there has been a great deal of interest in studying the exceptional points in microstructures. When the system posses the exceptional point, many eigenstates will collapse into one, which makes the eigenstate no more complete and leads to some unusual optical behaviors. This project aims to combine two aspects of research contents in different research directions, to construct special exceptional points with the degeneracies of different types of modes by designing the photonic crystal slabs. Based on these exceptional points, we study how to produce the optical fields with strong chiral characteristics, study the interaction between these fields and chiral molecules, explore the realization of enhanced circular dichroism (CD), enhanced Raman optical activity and vibrational circular dichroism. The physical mechanisms for these phenomena will be clarified and experimental demonstrations will be completed. Furthermore, we will also study how to design and fabricate the graphene/photonic crystal nanocomposites having special exceptional points, study tunability of exceptional points and chiral optical fields, try to realize tunable detection of the molecular chirality by the external field, which will provide a new way for the detection and recognition of the molecular chirality.

自然界中很多分子具有手性，分子的手性决定了它们的物理和化学性质。分子手性的有效识别和表征对制药、化工与环境、生物工程等领域的发展至关重要。另一方面，光学微纳结构中奇异点(Exceptional Point)的研究近年来引起了人们极大兴趣。当系统处于奇异点时，系统多个本证态会塌缩成一个，使得本征态不再完备，由此会产生一些非寻常的光学行为。本项目拟将分子手性和微纳结构奇异点两个研究方向的内容结合起来，通过光子晶体薄板的设计，构造出具有不同类型模式简并的特殊奇异点。基于这样的奇异点调制产生出具有强手征特性光场，研究手征光场与手性分子的相互作用，探讨实现增强的圆二色性光谱、增强的拉曼光学活性及振动圆二色性。澄清产生这些现象的物理机理, 完成实验验证。进一步构造出具有特殊奇异点的石墨烯-光子晶体薄板复合结构，研究奇异点和手征光场的可调特性，实现外场可调的分子手性探测。为分子手性探测和识别提供新途径。

自然界中很多分子具有手性, 分子的手性决定了它们的物理和化学性质。分子手性的有效识别和表征对制药、化工与环境、生物工程等领域的发展至关重要。因此，人们发展了很多方法来识别手性。然而，这些方法均有信号弱、抗噪声能力差和效率低等缺点。因此，如何提高分子手性探测效率和精度成了近些年研究的重要课题。最近我们的初步研究显示通过设计不同模式简并的奇异点（Exceptional Point)，能调控出具有强手征特性的光场，且对环境非常敏感，有望解决上述问题。.根据这一初步研究结果，我们设定了本项目的主要研究内容是通过介电光子晶体薄板的设计, 构造出具有不同类型模式简并的奇异点。基于这样的奇异点调制产生出具有强手征特性光场, 研究手征光场与手性分子的相互作用，探讨实现增强的圆二色性光谱、增强的拉曼光学活性及振动圆二色性。澄清产生这些现象的物理机理, 完成实验论证。进一步构造出具有特殊奇异点的石墨烯-光子晶体薄板复合结构，研究奇异点和手征光场的可调特性，实现外场可调的分子手性探测。.按计划经过四年研究，我们不仅理论设计出了由不同类型极化模式（电场模式和磁场模式）简并形成的矢量奇异点，而且制备出了空气孔二维光子晶体薄板，实验证明其拥有这种类型的矢量奇异点，同时也证明其能产生强超手征光场。进一步我们证明基于矢量外点可有效增强拉曼光学活性，实现增强的圆二色性光谱并对分子的手性分离、手性开关和手性选择等也进行了讨论。同时也设计了莫文石墨烯光子晶体结构，对其光场调控特性进行了研究。可以说圆满完成了计划。除此之外，我们还开拓了一些与项目研究相关新的内容，如探讨如何基于连续模束缚态产生超强的手征光场，研究如何利用纠缠增强的分子手性量子光谱，试图实现单分子量级的手性探测。四年来在项目支持下完成了44篇论文，包括4篇Phys. Rev. Lett.、4篇Nature Communications、1篇ACS Nano、1篇Advanced Functional Materials、1篇Laser Photonics Rev.等。课题组成员做国际邀请报告7人次。