电磁手性：从基本原理到手性光学

光不具有传统的手性，其手性来自旋转的电场和磁场。同时光还可以携带轨道角动量（OAM），从而在波前形成螺旋形几何形状。光携带的手性量可以用手性参数表示，例如，自旋密度通量、光学螺旋通量以及轨道和自旋角动量。物体的手性则可量化为手性参数（κ）和手性极化张量（αc）。

1. 强手性人工结构

天然材料通常由于其原子特征尺寸和光波长之间的巨大失配而表现出非常弱的手性，但是人工设计的手性结构可以观察到强烈的手性响应。

该综述对手性超材料（连续手性光学介质的本构关系）、小手性粒子（偶极近似和极化率）、最大手性粒子（满足一定极化条件，与LCP相互作用，同时对RCP完全透明）进行了理论建模，并利用等离激元杂交理论和模式耦合理论解释手性现象。

模式耦合理论——允许对粒子间电磁场相互作用进行定量分析。组成粒子被视为强度彼此耦合的振荡器。该模型可准确地重建与Kramers-Kronig相关的双手征手性特征以及圆二色性和旋光色散关系。此过程可以扩展到更复杂的系统（如许多粒子耦合在一起（图3c）），从而实现了完善的定量分析。但由于拟合过程，使用这种方法无法预测来自已知成分的未知响应。

2. 手性光学传感和圆二色性

近场辐射耦合和天线效应——手性分子对纳米粒子的对映选择性摄动对于超灵敏手性传感至关重要，在这种情况下，纳米粒子充当放大弱分子手性信号的纳米天线。

局部场梯度——等离子纳米间隙在单个点上支持几个数量级的场增强，因此场变化迅速，并且存在很强的局部场梯度。可以激发更高阶的跃迁，并产生强烈增加的手性反应。

超手性场——等离子体等离子纳米结构比光学手性更强地增强电场，因此吸收的非手性部分比手性部分增加得多。因此降低了不对称系数（吸收的手性和非手性组分之间的比例）。因此，超手性光也可以指具有大局部场不对称性的场（局部光学手性除以局部电场强度）。

等离激元系统中的结构扰动——由手性分子引起的等离激元系统中的结构扰动导致了强烈的手性反应，该反应来自于诱导的结构手性，其中二聚化的等离激元纳米棒的最终手性取决于分子的手性。

3. 手性光学操纵技术

本节中作者主要讨论了产生光力和扭矩的光-物质相互作用中的动量交换。

首先，引入麦克斯韦应力张量来计算光学力和扭矩。然后，推导施加在手性球上的光学力和扭矩的公式，检查光学力和扭矩如何影响手性对象，并回顾光驱动粒子控制的实验演示（对映选择性分离）。

图4.手性光学操纵技术-光驱马达

手性光学操纵的一个实验（光驱马达）——线偏振光可以旋转嵌在硅块中的金结构作为马达（图4a）。平面的金结构是非手性的，但破缺的平面镜面对称性会使得坡印廷矢量产生手性分布以及由此出现的光学转矩。共振频率处横截面的增加导致整个微型样品的旋转（图4b），其中旋转速度和方向可以通过调整入射波长来控制的。