杀疯了！中科大2023年第3篇Nature！

来了，它来了！

继1月4日中科大新年首篇合作Nature，1月11日中科大新年首篇第一通讯单位(重磅！中科大2023年首篇第一单位Nature！)的Nature之后，1月18日中科大再迎新年第二篇第一单位Nature。

什么，太绕了？简单说就是2023年中科大已发表3篇Nature，1篇共同通讯单位，2篇第一单位。

自旋角动量的光子具有固有的手性，它是非线性光学、量子光学、拓扑光子学和手性等许多现象的基础。固有手性在自然材料中很弱，最近的理论建议旨在通过支持连续介质中束缚态的共振超表面来扩大圆二色性，这大大增强了手性光-物质相互作用。

这些富有洞察力的作品诉诸于三维复杂的几何图形，这对于光学频率来说太具有挑战性了。因此，大多数显示强圆二色性的实验尝试，都依赖于斜入射或结构各向异性的假/外在手性。

在此，来自中国科学技术大学&新加坡国立大学的陈杨(第一单位第一作者)&哈尔滨工业大学的肖淑敏&新加坡国立大学的仇成伟等研究者报告了真实/固有手性响应与共振超表面的实验实现，其中工程倾斜几何打破了面内和面外对称性。

相关论文以题为“Observation of intrinsic chiral bound states in the continuum”于2023年01月18日发表在Nature上。

手性是自然界的一个基本特征，指的是缺乏镜面反射对称性的物体的几何属性。为了评价一个物体的手性，通常采用以圆二色性为表现形式的电磁手性，基于物体与不同手性的电磁场之间的微分相互作用。

然而，研究发现，具有面外镜对称的平面结构(不被认为是手性的)，仍然可以通过引入结构各向异性或斜入射表现出强烈的CD信号。

在这些情况下，CD的振幅不能测量物体的“真手性”或“固有手性”，但它起源于各向异性诱导的极化转换或实验装置的手性构型，这些通常被称为“假手性”或“外在手性”。虽然假手性可以产生与真手性相似的CD信号，但其在手性发射和偏振光探测等一系列重要领域的应用明显受到限制。

除了固有的手性外，提高手性光-物质相互作用强度的另一个关键参数是，相关共振的质量(Q)因子。具有大固有手性的高Q共振，在手性发射、手性传感和对映体分离等方面具有潜在的应用价值，是人们长期以来所追求但尚未探索的问题。

手性超材料和超表面，可以产生强烈的手性响应，但由于具有较大的辐射和非辐射损失，它们实现的Q因子仍然很低，通常小于200。

近年来，连续介质中束缚态的物理学已被应用于光子学中，以实现和设计高Q共振。当BIC获得内在手性时，所得到的手性BIC可以在不涉及外在手性的情况下，同时产生高Q因子和强CDs。

正如之前的理论工作所指出的那样，实现手性BIC的关键是打破结构的所有镜像对称，这阻碍了其实验实现。研究者已经见证了许多打破面内或面外镜像对称的方法，但剩余的对称面仍然阻止了固有手性BICs的生成。测量到的高-Q CD共振，不可避免地归因于斜入射或极化转换的假手性。

在此，研究者报道了基于斜扰动超表面新范式的本征手性BICs的光学实现。超表面由TiO₂薄膜上的倾斜梯形纳米孔的方形阵列组成，该薄膜被放置在玻璃基板上并覆盖PMMA(图1a)。通过引入两种类型的扰动，即面内形变角α和面外斜角φ，该结构从垂直方形纳米孔演化而来，从而破坏了所有的镜像对称性。

超表面支持一系列Bloch模态(图1b)，其模态分布如图补充图1所示。在不失一般性的前提下，研究者首先考虑基本横磁模式(TM₁)。当不涉及扰动时(α = 0， φ = 0)，由于结构的C_z²对称性，它支持在布里渊带Γ点的对称保护BIC。由于时间反演对称性，BICs的电磁场近场总是线性极化的，它们的分布相互抵消以阻止远场辐射。

据研究者所知，他们的结果标志着在连续统中首次观测到固有手性束缚态，其近单位圆二色度为0.93，可见频率的高质量因子超过2663。该手性超表面可能会在手性光源和探测器、手性传感、谷电子学和不对称光催化等领域得到广泛应用。

图1. 斜扰动诱发固有手性的起源

图2. 斜扰动超表面的设计、制造和表征

图3. 实现手性BICs的几何扰动之间的内在联系

图4. 固有手性BICs获得的巨大CD和Q因子

综上所述，研究者首次通过实验观察到光学手性BICs，同时其具有高Q因子(Q = 2663)和接近一个单位的CD，值为0.93。研究者建立了一个基于局部自旋密度变化的微观模型来解释光学手性的起源。

虽然目前手性BIC超表面是在可见光谱中展示的，但这个概念是一般的，适用于红外和更长的光谱，并在手性光源和探测器、手性传感、量子光学和不对称光催化等方面有广阔的未来应用前景。

陈杨，博士，中国科学技术大学工程学院特任教授，博士生导师。

2010年本科毕业于中国科学技术大学近代物理系，2016年博士毕业于中国科学技术大学精密仪器与机械系（导师：褚家如教授），之后在美国密苏里科技大学（合作导师：Prof. Xiaodong Yang)和新加坡国立大学（合作导师：Prof. Chengwei Qiu)从事博士后研究员工作，于2021年9月加入中国科学技术大学，组建“纳米光子器件与系统”研究组，主要研究方向包括：微纳光学、微纳光电器件、超表面与超材料等。

回国建组后以第一作者身份在Nature、Nature Nanotechnology、Physical Review Letters、Nature Reviews Physics等顶级期刊连续发表论文，受到国内外广泛关注。担任Nano Letters、ACS Nano、Nanoscale以及OSA多个期刊的审稿人，并在CIOP、ICFM、MRM等国际学术会议作邀请报告

研究领域：微纳光学，微纳光电器件，超材料与超表面等。

肖淑敏，哈尔滨工业大学（深圳）教授。研究团队主要从事基于半导体光学材料和器件的制备，涉及研究内容包括微纳米体系的数值建模、光刻或电子束曝光以及反应离子刻蚀等的微纳米制备技术、以及光学和电学表征技术。

近年来在国际刊物和会议上发表相关的优秀原创论文百余篇（其中《Nature》1 篇，《Science》1 篇，《Nature Communications》9篇，《Science Advances》1篇, 《Advanced Materials》等高水平论文32篇，合著专著一部），多篇文章单篇他引超过200 次。研发技术达到了”华为XXX器件“的应用要求并进入流片阶段。

研究方向：集成光电子器件、半导体器件、纳米光子学及超材料等新型光学材料和器

仇成伟，2003年毕业于中国科技大学获学士学位，08年获新加坡国立大学和巴黎高等电力联合博士，08至09年底在麻省理工开展博士后研究，10年初在新国大开始助理教授的工作。

主要研究电磁波与物质相互作用，纳米光学光子晶体和光操控。利用超颖体材料和表面结构和衍射光学来达到光的传播方向，涡旋特性，衍射特性，和光学力的新型的操控。

仇成伟教授在国际著名期刊上发表论文100余篇，被学术界同行引用1000次以上（排除自引和其他coauthor交叉引用）；其中有多篇为顶级期刊，如Physical Review Letters（4篇，其中3篇为通讯作者）, Nature Communications （3篇，其中1篇为通讯作者）, Nature Photonics（1篇，为通讯作者）, Advanced Materials（4篇，均为通讯作者）, Advanced Functional Materials（一篇，为通讯作者）， Energy & Environmental Sciences (一篇,选为2013年issue 12的封面，通讯作者), Laser & Photonics Reviews(4篇，均为通讯作者), Nanoscale (3篇，均为通讯作者)， Nano Letters（1篇），ACS Nano（2篇,其中1篇为通讯作者）等。研究成果多次被选为期刊亮点论文及被技术媒体和大众媒体报道：Straits Times (海峡时报);  联合早报 (2 次);  Science (科学); Daily Mail （每日邮报，英国）, Le Monde （世界报，法国）, Wired（英国）;  Institution of Engineering and Technology (大英工程技术学院, 2 次)；MIT Technology Reviews （麻省理工技术综述）；SPIE Newsroom (美国光电协会新闻中心，2 次)；Physics World (大英物理学院物理世界刊物，3 次)；Phys.Org（2次）；Chemical & Engineering News (American Chemical Society，美国化学学会)， ScienceDaily (2次) 等等。

Chen, Y., Deng, H., Sha, X. et al. Observation of intrinsic chiral bound states in the continuum. Nature 613, 474–478 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05467-6

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05467-6

http://icoe.szu.edu.cn/plus/view3379.html?aid=1409

http://mse.hitsz.edu.cn/info/1029/1037.htm

https://pmpi.ustc.edu.cn/2022/0415/c19780a552008/page.htm