科學家在手性光學領域獲重要突破

從中國科學技術大學獲悉，該校陳楊教授與哈爾濱工業大學深圳校區、新加坡國立大學的學者合作，首次實現并觀測到具有極致內稟手性的連續域中束縛態，在光學波段同時得到高達0.93的圓二色譜信號和高達2663的光學品質因子，顯著增強了光與物質的手性相互作用。這項研究在手性光學領域具有廣泛的應用前景，研究成果日前發表于《自然》。

手性在自然界中廣泛存在

當一個物體無法通過旋轉、平移等操作與其鏡像體相重合時，該物體即具有手性。手性在自然界中廣泛存在，如我們的雙手，左手和右手互為鏡像且無法重合。構成生命體的基本大分子，如氨基酸、核糖核酸、單糖等都具有手性結構?！犊茖W》雜志在最新發布的“全世界最前沿的125個科學問題”中將“為什么生命需要手性”列為其中之一。

研究物質手性有助于探索生命的起源之謎，從具體應用來說，在疾病診斷、藥物開發、食品化妝品等領域具有重要應用價值。如在患有帕金森綜合征、阿爾茨海默病等病人的體液中，某些特征性手性分子的組分和健康人差異很大。市面上96%的藥物都是由手性分子構成，如常見的左旋氧氟沙星、右旋布洛芬等。

手性光學法是研究物質手性的常用方法，其研究核心是增強光與物質的手性相互作用。自然界中物質具有的內稟手性通常極其微弱，其產生的手性光學響應也難以探測。

手性連續域中束縛態是一種具有極致內稟手性和高品質因子的奇異光學態。盡管國際知名研究組先后從理論上研究了這種光學態，但由于結構設計難以在實驗上實現，這些工作仍停留在理論階段。

此次研究中，合作團隊創新性地提出利用結構傾斜打破二氧化鈦介質超表面的面外鏡面對稱，并結合面內的梯形納米孔設計，實現了三維真手性結構，同時基于微觀模型和手性光學的一般性理論清晰揭示了這種設計的物理機理。在光學波段同時得到高達0.93的圓二色譜信號和高達2663的光學品質因子，比現有手性超材料高出一個數量級以上。

《自然》雜志審稿人稱，“這項成果代表了手性光學領域的重要突破，該工作能取得如此高的品質因子和強手性光學響應，令人印象非常深刻?！?/span>