近日，bat365在线平台官网应用物理系伏洋洋教授、刘友文教授和苏州大学徐亚东教授等人合作，通过在非厄米梯度超构表面中构建手性奇异点，提出了一种实现最大螺旋二色性的新现象和物理机制。相关成果以“Maximum helical dichroism enabled by an exceptional point in non-Hermitian gradient metasurfaces“为题在线发表在综合性国产领军期刊《Science Bulletin》上（中科院1区TOP, IF:18.9）。伏洋洋教授、刘友文教授、徐亚东教授为该工作的共同通讯作者；bat365官网登录入口博士生李潇、厦门大学博士生胡传捷和南京大学田源博士为共同第一作者；南京大学卢明辉教授和厦门大学陈焕阳教授对该工作研究作出重要指导。

手性是物体与其镜像不重合的属性，在自然界中普遍存在，其研究对于生命科学、材料学等领域至关重要。手性响应通常定义为左旋和右旋光的差异性散射，即圆二色性（circular dichroism , CD），其广泛用于检测和分析手性结构。但圆二色性依赖于自旋角动量，具有二态性质，且难以应用于没有自旋的标量场（如声波）。螺旋二色性（helical dichroism, HD）则可以打破这一限制，它是由携带相反轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）的涡旋波束的差异散射定义的。然而，大多数自然物质通常表现出微弱的手性信号，如何增强手性相互作用，尤其是实现较大的HD，仍然是一个极具挑战性的研究课题。近年来，非厄米物理学的研究为手性调控提供了新视角。通过调节非厄米系统中的增益/损失，研究人员在奇异点（exceptional point, EP）附近发现了一些有趣的手性涡旋现象，例如功能性的OAM发射和自旋-轨道耦合。非厄米系统中的EP与手性物体的非对称散射密切相关，为探索最大手性提供了可能性。基于连续体中的准束缚态（quasi-bound states in the continuum, QBIC）所构建的手性超表面，因其高品质因子的波场局域性极大增强了手性相互作用，已被证明是增强极端手性响应的有效方法。尽管手性调控的研究已取得丰富的进展，但关于最大化的螺旋二色性（即最大HD）以及其在手性控制方面的潜力仍有待进一步挖掘。

本工作通过将非厄米EP引入相位梯度超构表面（phase gradient metasurfaces, PGMs），揭示并验证了实现最大HD的新现象和物理机制。通过在PGMs中引入局域损耗调制用以获得手性EP，本工作利用PGMs系统中的异常衍射机制来操控轨道角动量，并证明了非厄米PGMs所携带的内禀拓扑荷与手性相反的入射涡旋场之间存在极端非对称耦合，具体表现为：一种手性的涡旋波被完全反射，而相反手性的涡旋波被完全吸收，从而实现最大的HD（图1）。此外，通过利用相干完美吸收-激光的概念，该手性EP原理被进一步拓展至非厄米PGM的无损模型。由于继承了非厄米PGM奇异点所诱发的非对称手性耦合特性，无损PGM可以通过灵活地设计来实现多样化的极端手性调控：一种手性的涡旋场被无损PGM完全反射，而相反手性的涡旋场则可以传输并转化为定制的涡旋模式，这为研究最大螺旋二色性和操控手性模态提供了新机遇。比如，作为最大螺旋二色性的一种体现，本工作首次提出了完美手性选择的涡旋传输现象（图2），并通过声学实验进行了验证。

本工作通过在非厄米PGMs中构建手性奇异点，提出了一种实现最大螺旋二色性的新范式。研究结果为实现最大手性效应以及探索波与物质相互作用中的手性物理提供了新途径，有望推动诸如非对称手性调控、单向传播和信息多路复用等轨道角动量相关的基础研究和应用领域的发展。本研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、国家重点研发计划等相关项目的支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.09.028