南开大学：手性超表面在调控光场方面研究获得进展

近日，南开大学付学文教授、任梦昕教授和许京军教授团队与北京大学刘运全教授团队合作，结合超快透射电子显微镜中的光致近场超快电子显微成像（PINEM）与远场椭偏测量，首次从飞秒与纳米时空尺度揭示了“Γ”形手性金属超表面将线偏振光转换为椭圆偏振光的微观物理机制。相关成果以“Deciphering light transformation in chiral metasurface in real space and time by ultrafast electron microscopy”（基于超快电子显微镜从纳米-飞秒尺度解析手性超表面光变换过程）为题发表于国际知名期刊Light: Science & Applications。

手性微纳结构在与光场相互作用时，会产生显著的手性光学响应，如圆二色性，这为手性传感、量子光学和新型偏振光学器件等前沿领域奠定了基础。近年来，通过精密设计的手性超表面，能在亚波长尺度实现对光偏振态的高效调控。然而，传统的光学表征技术（如远场光谱测量）仅能获取空间平均的宏观信号，无法揭示单个结构单元内部光场在纳米尺度的空间分布和在飞秒尺度的动态演化过程，严重制约了对手性光场产生与调控微观机制的深入理解。

研究团队基于自主设计开发的新一代热场发射枪的超快透射电子显微镜（Rev. Sci. Instrum. 96, 033701（2025）），利用其光致近场超快电子显微成像（PINEM）模式，在飞秒与纳秒时空尺度对“Γ”形金属手性超表面在680-830 nm波段激发下进行结构单元水平的微观近场成像探测。实验发现，在水平偏振光激发下，手性结构产生的光学近场在水平对称分布之外，还出现了显著的垂直方向非对称分量，且该分量的空间分布和强度随激发波长发生规律性变化。团队进而提出了“近场椭偏率”概念，将其定义为，其中分别为非对称与对称区域的近场强度积分，m表示近场整体旋转方向。结果显示，近场椭偏率的变化趋势与远场椭偏率的变化趋势高度一致。结合有限元电磁仿真，发现在730-830 nm波段“Γ”形结构右上角局域电偶极逐渐增强，与主体结构共同形成不对称的电四极子模式。该“角电偶极”的贡献随波长增加而显著提高，主导了近场不对称性与椭偏率的增强，是手性超表面产生手性光学活性的关键物理起源。通过时间分辨PINEM成像，发现非对称近场的衰减时间比对称近场快25-150 fs，表明手性超表面在调控光场过程中存在独特的能量耗散路径。

该研究通过超快透射电子显微镜技术成功实现了对手性超表面中光场转化过程的时空解析，从纳米和飞秒尺度揭示了其微观机制。该工作不仅为理解光与手性物质相互作用提供了新的实验视角和关键证据，也展示了超快透射电子显微镜在微纳光子学领域的独特应用潜力。研究成果深化了对几何手性、近场分布与远场响应之间关联的认识，对未来设计高性能、可调控的手性光子学器件具有重要指导意义。

南开大学为该工作第一完成单位和通讯单位。南开大学博士生童玲和博士后谢飞为该论文共同第一作者，南开大学付学文教授、任梦昕教授和许京军教授团队与北京大学刘运全教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、南开大学中央高校基础研究经费等的支持。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41377-025-02163-8