最近,中國科大工程科學學院微納米工程實驗室在利用渦旋光檢測結構手性研究領域取得重要進展,發現光子軌道角動量可以高效地探測結構的光學手性訊號。該成果以“Gigantic vortical differential scattering as a monochromatic probe for multiscale chiral structures”為題發表在國際知名期刊PNAS [118,e2020055118(2021)]上。
手性結構廣泛存在於自然界中,如DNA雙螺旋結構、植物卷鬚和貝殼等。除了觀察物體的幾何形態,通過光與物質相互作用也可以分辨其手性。例如通過光子自旋角動量與物質相互作用,研究結構對左右旋圓偏振光的光學響應不同可以實現圓二色性譜的探測。那麼同樣具有手性特徵的光子軌道角動量能否用來檢測手性結構,以及如何獲得的顯著的光學響應訊號?
針對以上科學問題,該團隊研究發現通過匹配光束和手性結構的尺寸,渦旋光包含的螺旋相位(光子軌道角動量)可以與手性微結構作用,從而產生顯著的渦旋差散射。研究發現,渦旋差散射峰值所處的結構尺寸與操作波長關係區域位於之前圓二色性響應未探索的區域,並且可以實現單色光探測。該工作還研究了渦旋差散射譜與螺旋結構幾何尺寸的關係,以及增强手性分子檢測訊號的手段。該科技有望為後續手性光與物質相互作用研究領域提供一種全新的探測管道。
圖示:(A)渦旋光和(B)圓偏振光檢測手性結構示意圖。(C)對比圓二色性和渦旋差散射響應區域。(D)產生强手性訊號時,渦旋光與結構的尺寸匹配關係。(E)渦旋光與手性結構作用示意圖。
中國科大工程科學學院微納米工程實驗室已畢業博士生倪勁成為文章第一作者,吳東教授、胡衍雷副教授、物理學院黃坤研究員和新加坡國立大學仇成偉教授為論文的通訊作者。這項工作得到中國科學院、國家自然科學基金和中國博士後科學基金等項目的資助。
論文連結:https://www.pnas.org/content/118/2/e2020055118
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