哈工大宋清海教授，最新Science！

2022年9月9日Science在线发表了哈尔滨工业大学宋清海教授手性在光学领域应用的最新成果“Transporting holes stably under iodide invasion in efficient perovskite solar cells”。其中，哈尔滨工业大学为第一通讯单位，通讯作者为宋清海教授和澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授。

研究表明，当代光学的主要目标之一是以超紧凑的形式有效地操纵光发射的偏振态，但该领域的进展依赖于手性材料和手性光学腔。手性描述了许多物理系统固有的“惯用手”—从构成生命基石的左手氨基酸到欧洲中世纪城堡中的右手螺旋楼梯。

光也可以是手性的，表现为右旋或左旋偏振态，其中电场在时间上顺时针或逆时针旋转，并在空间传播时描绘出螺旋轨迹。尽管自数百年前发现光的手性以来取得了令人瞩目的技术进步，但从紧凑光源产生手性光的实际挑战仍然难以捉摸，其源于光和物质的手性相互作用通常非常弱，因此需要使用笨重的材料，许多潜在的应用都可以从控制手性和扭曲光的手性的能力中受益。

克服弱手性光与物质相互作用的一种有前途的方法是创造由所谓的“元原子”制成的人造材料，但这些不是通常意义上的原子。相反，它们是可用于构建所需的三维（3D）超材料或2D超表面的纳米结构。这些用于增强手性响应的元原子最近取得了巨大进展，但提供高纯度手性光的超紧凑解决方案仍然难以捉摸，特别是对于激光应用。

在此，哈尔滨工业大学宋清海教授和澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授等人用起初看起来自相矛盾的方法来解决这个问题，设计使用了一种电磁状态，它位于所谓的连续域束缚态（BIC）内。其中，BIC是指特定频率的光被捕获并在周围反弹的状态，例如在精心设计的具有高度对称性的纳米柱结构内。此类 BIC具有许多优点，包括增强放大和手性滤波。

然而，要用作手性光源，必须释放被捕获的光。为了实现这一点，可以在某个所需频率打破BIC的必要对称性，这将使光仅部分结合。辐射的好处（放出光）和操纵光属性的能力之间的权衡是一个很好的平衡行为。这种权衡可以通过改变纳米柱阵列来控制。以前的研究工作已经尝试通过从顶部观察旋转它们来改变单个椭圆形柱的定向角度。然而，这种方法的常见问题是它会导致不相干的宽带发射纯度低。

作者通过寻找另一种方法来改变纳米柱来操纵光线来解决这个问题，通过倾斜椭圆形的柱子，使它们都成一个角度，柱的旋转和前倾的组合对称性破坏使 BIC的手性滤波作用与部分结合的BIC辐射的频率一致。因此，他们展示了一种计算手性光的最佳倾斜角的方法，其手性纯度>99%。此外，由于纳米柱超表面与某些频率的光共振，它还可以用作产生激光的放大器。

图1. 一种高纯度微型手性光源

图2. 共振手性超表面

图3. 手性超表面的实验演示

图4. 手性发射的观察

图5. 手性激光的观察

虽然在紧凑的微米和纳米尺寸结构中控制和利用手性光的能力仍处于起步阶段，但标志着高纯度手性微激光器的首次展示，并且是第一个通过其超表面设计提供受控手性的策略。以可重写方式定制超表面功能的新兴能力，可能允许直接从片上源进行光学可切换手性，因此本文肯定会激发进一步的研究，将其扩展到其他自由度的光，并有望通过结构物质对结构光进行完全片上控制，这对于未来的光电子学和光磁器件都具有一个广阔的前景。

Xudong Zhang, Yilin Liu, Jiecai Han, Yuri Kivshar*, Qinghai Song*, Chiral emission from resonant metasurfaces, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7870

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