受中国传统篆书铭文启发的多波长手性超表面高性能设计

《Materials Today Communications》：A high-performance multi-wavelength chiral metasurface inspired by the traditional Chinese bronze inscriptions

　　

手性超表面在增强光与物质相互作用方面展现出巨大潜力，但现有设计通常仅在单一波长下实现高圆二色性（Circular Dichroism, CD），这限制了其实际应用范围。在此，研究人员报道了一种受中国古代篆书铭文“子”字启发的硅基手性超表面。该结构由位于二氧化硅（SiO₂）基底上的图案化硅层组成，完全兼容标准的硅基工艺。数值模拟结果表明，该超表面在中红外波段同时实现了四个显著的手性响应峰，波长分别为4.300、4.360、4.431和4.476 μm，对应的CD值分别达到0.92、0.43、0.85和0.64。这些响应包括两个宽CD带和两个尖锐的共振峰，证明了所提出结构支持多波段手性光操控的能力。这种多波长、高性能的手性响应源于“子”字形图案对结构对称性的精心破坏以及多个共振模式的激发。我们的工作不仅为多波段手性光控制提供了一种新颖且易于集成的设计解决方案，还展示了从传统文化遗产中汲取灵感以推动前沿光子学发展的可行性。

在现代社会光子技术中，高效产生、检测和操纵圆偏振光是基本需求，广泛应用于量子信息处理、圆偏振发光显示、分子手性传感、光加密通信和自旋依赖光学器件等领域。传统上，这些功能通过由四分之一波片和线性偏振片组成的体积光学系统实现，但这类依赖天然材料双折射的元件存在工作带宽窄、体积庞大且无法兼容紧凑型集成光子平台、功能固定且缺乏动态可调性等诸多局限。因此，探索能在亚波长尺度上高效灵活地控制圆偏振光的新物理机制和器件架构成为重要研究方向。近年来，光学超表面作为一种由亚波长人工原子按特定空间配置排列而成的平面光学器件，为克服上述局限提供了有效解决方案。其中，手性超表面因能与光的自旋角动量发生不对称相互作用而备受关注，其手性响应源于超原子结构中面内或面外镜像对称性的破坏，从而无需传统级联波片即可实现圆二色性（CD）。尽管过去十年该领域取得了显著进展，从早期的金属等离激元共振设计发展到介电Mie共振结构以实现低损耗和高效率的手性响应，但大多数高性能手性超表面仍专注于在单一目标波长下实现极端圆二色性。这种单带或窄带特性虽然能满足特定应用需求，但极大地限制了其在多波长复用、宽带操作和多特征谱线检测等复杂场景中的应用。尽管已有研究尝试通过引入多个共振模式或复杂多层结构来拓宽操作带宽或实现多带响应，但这些方法往往涉及增加结构复杂度和制造难度。因此，现有手性超表面设计仍缺乏一种简单、稳健且兼容制造的单层结构，以便在多个离散波长处同时产生强CD响应。

为了解决上述问题，研究人员开展了一项受中国古代篆书铭文“子”字几何特征启发的新型手性超表面设计研究。该研究采用硅（Si）纳米结构置于二氧化硅（SiO₂）基底上的方案，该方案兼容成熟的硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺。研究人员通过数值模拟详细分析了该结构的光学特性，重点探讨了其对称性破缺机制、多模共振激发条件以及在制造误差下的鲁棒性。研究得出以下主要结论：提出的“子”字形结构能有效破坏面内对称性并激发协同多模共振，从而在中红外波段产生四个 distinct 的CD峰值，实现了从宽带到手性窄带响应的集成；该结构基于标准硅-二氧化硅材料系统和单层平面构型，避免了复杂三维纳米结构、多层对准或异质材料集成带来的制造挑战，具备大面积、高一致性片上实现的潜力。这一成果不仅为多波长手性光操控提供了工艺友好的策略，还展示了将传统文化遗产中的几何母题转化为功能性光学超原子的可行性，扩展了手性光子器件的设计策略。该论文发表在《Materials Today Communications》期刊上。

研究人员主要采用了有限元方法（FEM）进行数值模拟，利用COMSOL Multiphysics软件建立单周期单元模型。模拟中使用了周期性边界条件来代表无限阵列，并在上下边界放置完美匹配层（PML）以吸收出射波并抑制人工反射。透射率通过两种独立方法进行交叉验证：一是基于传输端口坡印廷矢量法向分量的面积积分，二是基于端口模式分解的S参数输出。研究未涉及具体的试剂使用或复杂的质粒构建操作，因为本研究主要基于理论模拟和结构设计，旨在验证几何形状对光响应的调控能力及其在标准硅基工艺中的可行性。

研究结果显示，在手性超表面在4.1–4.6 μm波段的中红外光垂直入射下，透射率计算结果具有高度可靠性。在右旋圆偏振光（RCP）入射下，透射率在4.2–4.5 μm范围内保持较高水平，仅在约4.35 μm处出现一个明显的透射凹陷；而在左旋圆偏振光（LCP）入射下，透射率经历多次波动并形成四个显著透射极小值，最低透射率接近于零。对应的CD光谱在4.300、4.360、4.431和4.476 μm处出现四个distinct的CD峰值，强度分别为0.92、0.43、0.85和0.64。其中峰值a和b具有较宽半高全宽（FWHM），表现为宽带响应；峰值c和d为典型的窄带共振峰，品质因数（QF）分别约为40、77、440和660。多极矩展开分析表明，宽带峰值a和b主要由电四极矩（EQ）贡献主导，磁偶极矩（MD）贡献较弱；而窄带峰值c和d的主导贡献顺序依次为电四极矩、磁偶极矩和磁四极矩（MQ）。这种多极矩组件的协同激发归因于“子”字形结构支持的强对称性破缺和多共振通道。磁场强度分布确认，在所有四个共振波长下，LCP入射诱导的局域磁场强度远大于RCP入射。物理上，不对称的“子”字形几何形状提供了自旋选择性耦合路径，当入射光的手性与结构手性匹配时，自旋角动量能更高效地转化为局域共振模式，导致LCP入射下的场限制更强且透射率更低。在制造和模拟误差影响方面，收敛性测试表明当硅区域网格尺寸细化至100 nm以下时，四个共振波长的CD值趋于稳定；PML厚度在2000至6000 nm变化时，共振峰保持高度稳定。对于纳米制造中可能发生的刻蚀深度偏差，过刻蚀对λ1和λ4处的CD值影响较小，但对λ2和λ3处影响较大；欠刻蚀对光学性能影响更显著，当欠刻蚀偏差超过约20 nm时，λ2和λ3处的CD值几乎完全消失。这表明制造公差对欠刻蚀敏感，需将硅刻蚀深度控制在约±20 nm以内，特别是为了保持窄带共振响应。

讨论部分指出，提出的硅基超表面通过高度不对称但简单的二维几何图案，成功激发了中红外波段的四个distinct手性光学响应峰。其底层物理机制主要与面内镜像对称性和旋转对称性的同时破坏有关。这种对称性破缺使得光与物质的相互作用具有自旋选择性，并支持多个共振模式的激发。“子”字形结构的特殊弯曲和半圆形特征进一步调节了高阶多极共振的空间分布和耦合。因此，宽带和窄带CD响应可以集成在单个平面超原子中。与通常仅在单一波长或有限光谱范围内工作的传统手性结构相比，该设计为多带手性响应工程提供了可行的途径。此外，该超表面基于标准硅-二氧化硅材料系统和单层平面配置，避免了复杂三维结构制造带来的挑战。研究结论部分总结道，研究人员展示了一种受中国古代文字启发的超表面，用于中红外波段的多波长圆二色性。所提出的结构通过结合平面几何手性和协同多极共振，实现了具有高强度响应的四个CD峰值。从实际实施的角度来看，该超表面为多波段手性光操控提供了一个紧凑且兼容制造的-platform，其在中红外多个波长处的distinct CD响应使其在需要波长选择性偏振控制的应用中具有潜在用途，如分子指纹传感、集成手性检测和片上偏振分析。未来工作将集中于此设计的实验实现和光学表征，特别关注制造公差和器件重现性。