ACS Nano | 基于磁光表面等离激元超表面的磁场反转光学手性器件

英文原题：Switching the Optical Chirality in Magnetoplasmonic Metasurfaces Using Applied Magnetic Fields

通讯作者： 毕磊, 电子科技大学

作者：Jun Qin（秦俊）, Longjiang Deng（邓龙江）,Tongtong Kang（康同同）, Lixia Nie（聂立霞）, Huayu Feng（冯华钰）, Huili Wang（王会丽）, Run Yang（杨润）, Xiao Liang（梁潇）, Tingting Tang（唐婷婷）, Jian Shen（沈建）, Chaoyang Li（李朝阳）, Hanbin Wang（王汉斌）, Yi Luo（罗毅）, Gaspar Armelles, Lei Bi（毕磊）

手性是指无法通过旋转和平移使结构与自身完全重合的一种对称性。手性结构广泛存在与蛋白质、生命体和药物分子中。近年来，人工制备的具有手性结构可调纳米光学器件可以通过外场激励调控其光学手性，在生物制药和显示成像等领域具有重要应用前景，因此得到广泛的研究关注。然而，受到材料光学性能的限制，器件的手性调控幅度依然较低。例如采用磁性材料制备的磁场可调手性纳米光学器件具有高速、低功耗、连续可调以及易集成的特点。然而，由于铁磁金属的磁光效应弱、光学损耗高，限制了磁场对结构光学手性的调控幅度，使得磁场引起的圆二色性（CD）的变化远小于结构手性带来的CD，难以应用于传感和显示领域。因此，如何在光频实现高效率的可调手性器件是领域研究的难点。

近日，电子科技大学毕磊教授、邓龙江教授课题组在基于磁性氧化物材料的磁光表面等离激元超表面结构中实现了磁场对结构远场光学手性的反转调控，CD调控幅度较之前的报道提高了一个数量级，为高效可调手性器件提供了新思路。文章作者制备了Au/Ce:YIG/YIG/SiO₂/TiN的周期孔洞多层薄膜结构，首先在不加磁场的情况下，表征了非手性孔洞结构的外禀光学手性特征。然后，通过外加器件法线方向磁场 (±3.1 kOe)，实现了CD从-0.6°±0.2°到+1.9°±0.1°的大范围连续调控。这里，远场CD的调控机制是源于磁性材料 (Ce:YIG) 的磁圆二色性，以及磁场引起Ce:YIG材料折射率变化（磁圆双折射）对结构电磁场近场分布调制。作者利用了磁性氧化物材料损耗低的特点，设计并制备了模场局域在磁性氧化物层的腔体谐振模式，使得磁场对结构近场场强调制幅度较文献报道提高了一个数量级。进一步，作者利用光刻和PS小球自组装的纳米加工技术，实现了2×2 mm尺寸的“UESTC”校徽图案的制备，并实验表征了其磁场调控光学手性成像。由于该器件具有高效率手性调控、可大面积低成本制备的特点，因此为可调手性纳米光学器件在手性传感器件和显示器件中的应用提出了新思路。

图1. 器件结构示意图及器件截面和表面形貌图

图2. 器件的圆二色性谱（a）实验（b）仿真。（c）-（f）器件在950 nm波长的电场分布图

图3. 磁场对器件圆二色性谱的调控（a）45°掠入射时器件在不同磁场下的CD谱（b）不同场强磁场对器件CD谱的连续调控（c）950 nm波长下器件CD与外加磁场的关系（d）45°入射条件下，仿真器件CD谱与外加磁场的关系

图4. 不同外加磁场下器件近场模式分析（950 nm波长，45°入射）（a）右圆偏振光在不同磁场下的电场分布（归一化到入射场强）（b）磁场对右圆偏振光近场电场分布的调控（c）左圆偏振光在不同磁场下的电场分布（归一化到入射场强）（d）磁场对右圆偏振光近场电场分布的调控（e）右圆偏振入射，不同磁场下光学手性参数(Optical chirality)的近场分布（f）磁场对右圆偏振光近场光学手性参数的调控（g）左圆偏振入射，不同磁场下光学手性参数(Optical chirality)的近场分布 （h）磁场对左圆偏振光近场光学手性参数的调控

图5. 磁场对器件手性成像的调控（a）器件的CCD图像（采用灰度值重绘）（b）超表面结构的反射光谱（绿色虚线为用于成像的波长）（c）无外加磁场时器件的反射CD(RCD)像（d）正磁场（3.1 kOe）时器件的反射CD(RCD)像（e）负磁场（-3.1kOe）时器件的反射CD(RCD)像

这一成果近期发表在ACS Nano 期刊上，电子科技大学副研究员秦俊为文章第一作者，毕磊教授为通讯作者。

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Switching the Optical Chirality in Magnetoplasmonic Metasurfaces Using Applied Magnetic Fields

Jun Qin, Longjiang Deng, Tongtong Kang, Lixia Nie, Huayu Feng, Huili Wang, Run Yang, Xiao Liang, Tingting Tang, Jian Shen, Chaoyang Li, Hanbin Wang, Yi Luo, Gaspar Armelles, Lei Bi*

ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.9b05062

Publication Date: February 19, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

导师介绍

毕磊，电子科技大学教授、博士生导师。主要从事集成光学材料与器件，包括集成非互易光学材料和器件，磁光纳米光学器件，相变材料，铁电材料及集成光学器件领域的研究工作，在Nature Photonics, ACS Nano, Nano Letters, Optica, ACS Photonics等期刊发表90余篇学术论文。获授权美国专利8项，中国发明专利5项。

（本稿件来自ACS Publications）