手性超材料的設計、電磁特性及應用

徐新龍, 黃媛媛,姚澤瀚,王　倩,宇磊磊

(西北大學 光子學與光子技術研究所/光電技術與功能材料國家重點實驗室培養基地,陜西 西安　710069)

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·特約稿件·

手性超材料的設計、電磁特性及應用

徐新龍, 黃媛媛,姚澤瀚,王倩,宇磊磊

(西北大學 光子學與光子技術研究所/光電技術與功能材料國家重點實驗室培養基地,陜西 西安710069)

綜述了手性超材料最新研究進展。首先根據超材料的維度以及內在手性和外在手性對手性材料進行了系統的分類。在此基礎之上,分析了幾種典型的具有手性的超材料結構,并對其電磁性質進行了研究。最后對手性超材料的應用進行了分析,例如利用手性實現負折射率, 利用手性超材料來增強生物傳感以及基于手性的偏振器件。手性超材料的研究將會促進光電、納米、生物等學科的發展,并具有廣泛的應用前景。

手性；超材料；旋光性；負折射率；傳感；太赫茲

電磁超材料(metamaterial)是一種由亞波長單元構成的人工復合電磁材料。超材料的物理特性除了依賴于組成超材料的物質的自然特性外,還依賴于組成超材料的結構單元的幾何形狀和尺寸等。因此，其電磁性質可以通過人工設計進行調諧,并通過微納加工技術得以實現[1]。1999年英國帝國理工大學的Pendry教授提出由非磁性金屬材料構成的亞波長尺度雙開口環諧振器(double split-ring resonator, DSRR),用于實現人工磁響應[2]。其后超材料獲得了廣泛的關注,并被用于在實驗上實現自然材料很難實現的負折射率[3]。此后,基于超材料的隱身衣[4]、超吸收體[5]等性質及其應用也受到了國內外廣泛的關注。

目前超材料的研究有兩個方向的發展趨勢。首先,隨著近年微納加工技術的發展,超材料的研究范圍從微波波段進一步往高頻發展。特別是對功能器件較少的太赫茲波段(1 THz=1012Hz)[6-8],超材料對THz波振幅、相位、偏振和傳播可以進行靈活有效的調控,從而實現THz功能器件。因此，基于超材料的空間調制器、電調制器和超吸收體等方面的研究極大地推進了對THz波的調控和THz功能器件的發展。其次,超材料和新型功能材料的結合也催生出一些新的器件。例如二維納米材料——石墨烯[9]與超材料的結合[10]進一步提高了吸收體[11]、調制器[12]和折射率可調器件[13]等功能器件的性能,同時也為基于超材料的器件設計提供了新的思路。

除了上述兩方面,偏振態調控也是近年來超材料研究的熱點。手性超材料不僅能有效調控超材料的偏振,更能為超材料帶來獨特的手性特征,從而擴大超材料在偏振和負折射率等方面的應用。手性是指物體不能通過旋轉或平移等操作與其鏡像重合的性質。在超材料概念提出前,關于手性的研究大都圍繞自然界中的手性介質和分子的旋光性[14-15]。手性超材料的蓬勃發展則是在Pendry提出用手性超材料結構實現負折射率現象[16]之后,從而打破了要實現負折射率必須滿足介電常數和磁導率同時為負這一條件的限制。在Pendry之后，Tretyakov從理論上分析了由手性偶極粒子組成的手性介質實現負折射率的可能性[17]。此外,由金屬球體排列成螺旋狀三維超材料也在理論上被證明可以實現負折射率[18]。在此之后,在各個頻率范圍內對手性超材料的研究不斷涌現出來。Lindman作為先驅之一在1992年便探索了手性人工介質在微波波段的性質[19]；Zhang等人在實驗上闡述了三維手性超材料在太赫茲范圍的負折射率現象[20]；Wang等人設計的三維手性超材料不僅可以實現微波波段的負折射率,同時具有非常好的旋光性和圓二向色性[21-22]。但是，限于當時微納加工技術的限制,這些三維手性超材料在制作上存在一些困難，而與此同時關于制作相對簡單的平面手性超材料被證明同樣可以實現旋光性[23-25]。Arnaut等人最早將平面手性結構引入到電磁學研究中來[26]。對僅有單層的手性超材料而言,光波在垂直入射時沿著傳輸方向不能觀察到旋光性[27]，但通過基底的存在打破傳輸方向的對稱性則可以實現平面手性超材料的旋光性[24-25]。這種平面結構的超材料所得手性依然比較微弱,而Rogacheva等人的開創性工作則完美解決了這一問題,他們提出雙層手性結構可以得到巨大的旋光性[28]。雙層手性結構超材料與普通三維手性超材料略有不同，兩層間可以通過耦合實現優異的電磁學性能。此后,不同形狀雙層手性結構的研究開始層出不窮,例如花瓣形[29-30]、十字形[31]和萬字型[32]等。而人們也可以通過靈活的設計得到具有多種獨特性質的手性超材料。

本文旨在對目前不同類別的手性超材料的研究進展進行總結歸納,并結合我們前期的工作進一步研究超材料中手性出現的機制。

1　手性超材料簡介

1.1手性超材料的分類

手性最早顯現在自然結構和分子中,如呈鏡像對稱的貝殼、DNA雙螺旋結構、氨基酸分子等(如圖1(a)～(c)所示)。這些自然結構所顯示的三維手性都比較微弱且難以提高,因此不易得到實際應用。應運而生的手性超材料不但可以提高手性特征和電磁響應性質使其被應用在不同領域,還可控制超材料的物理參數得到不同頻率范圍的響應,因此手性超材料的研究已經是超材料領域的一大研究熱點。

根據存在手性的物質和結構是否為自然界本身存在,我們將手性結構材料分為自然手性材料和手性超材料(人工手性材料),如圖1分類圖所示。手性超材料存在內在和外在手性之分。具有內在手性的超材料結構單元(如圖1(d)和(e)所示[33])對于任何入射方向的電磁波都表現出手性特征。而外在手性主要出現在非手性結構的超材料中,當光波斜入射或傾斜樣品時,非手性結構的超材料與入射電磁波的波矢組成的系統不能與其鏡像重合,從而對稱性被打破,這時整個系統具有外在手性(如圖1(f)和(g)所示),并表現出手性特性。除了內在和外在手性之分,根據手性超材料的維度也可將其分為二維和三維兩種,而這兩種超材料所具有的典型特征不同,因此研究手性超材料的基本性質同樣重要。

圖1　手性材料的分類[33] Fig.1　Classification of chiral metamaterials

1.2手性超材料的基本性質

沿著兩個相反方向觀察二維和三維手性超材料可以得到不同的結果。以具有平面手性的阿基米德螺旋線為例,從相反方向觀察其旋轉方向不同,而三維手性結構從兩個相反方向觀察旋轉方向相同。這就決定了對這兩種手性超材料的研究將會從不同的性質方向出發。對于三維手性超材料而言,相反方向的對稱性使其具有兩種重要性質:旋光性和圓二向色性。如圖2(a)所示,旋光性是指可改變入射光束的偏振狀態,使偏振旋轉一定角度的一種性質,是一種與組成單元鏡面不對稱性相關聯的基本電動力學效應。因為手性超材料的獨特結構,左旋(left circular polarized, LCP)和右旋(right circular polarized, RCP)圓偏振光在傳輸時對應不同的折射率,使得兩種圓偏振的光波間產生相位延遲,最終造成入射光偏振的旋轉。自1811年Arago發現石英晶體具有將線偏振光旋轉的性質后,便在分析化學、晶體學、分子生物學中和食品工業、醫藥、催化工業中發揮了重要的應用價值[28-34]。這是因為不同手性分子參加的化學反應機制不一樣,對人體也具有不同的生理作用,因此對手性的測量和手性分子的分離一直是物理、化學、生物等學科研究的重點。旋光性的強弱與入射光的偏振狀態無關,其數值大小可通過偏振光的偏振方位旋轉角求得

(1)

(2)

(a)三維手性超材料旋光性和圓二向色性示意圖;(b)二維手性超材料不對稱傳輸示意圖;(c)手性超材料透過率的實驗測量[35]圖2　手性材料的基本性質Fig.2　Basic properties of chiral media

自然界中存在的二維手性結構很稀少,因此對于二維手性結構的研究在近幾年來才逐漸開展起來。二維手性結構在前向和背向方向觀察旋轉方向是不同的,光波在兩個方向傳輸也會得到不同的性質。偏振旋轉和橢圓率的改變最早發現于二維手性光柵[23],2006年關于二維手性超材料的圓轉換二向色性第一次被Fedotov等人在實驗上進行闡述[36]。圓轉換二向色性是指左旋到右旋圓偏光和右旋到左旋圓偏光的轉換效率不同,并且在相反傳輸方向下兩個效率值互換,即前向傳輸左旋到右旋(右旋到左旋)與背向傳輸右旋到左旋(左旋到右旋)的轉換效率相等。因為在前后兩個方向入射光產生的透射率不同,這種性質也可稱作不對稱傳輸。如圖2(b)所示,左旋和右旋光入射光在兩個方向的透射率轉換效率不同,這引起了不對稱性傳輸。這種方向性的不對稱性不僅體現在透射率,還體現在反射率和吸收率上。關于各向異性有損耗的二維手性超材料對圓偏光的不對稱透射率在微波[36]、太赫茲[37]和可見波段[38]都有研究。Plum等人同樣將這一手性性質拓展到了非手性超材料結構中[33],通過外在手性也得到了圓轉換二向色性。

手性超材料的透射和反射的實驗測量在微波波段常利用矢量網絡分析系統(Agilent E8364B)實現,并利用一對喇叭天線作為發射體和接收體(圖2(c))[35, 39]。從喇叭天線出射的光波是線偏振光,因此測量到的也是線偏振透射率Txx,Txy,Tyx和Tyy(下標中‘x’‘y’分別代表沿x和y方向偏振的光波,例如‘xx’代表出射和入射光波均沿x方向偏振)。利用式(3)，圓偏振透射率可以通過線偏振測量獲得

(3)

圓偏振反射率R++,R-+,R+-,R--也可用類似形式表達。

與普通超材料不同,手性超材料的電磁性質與沿著相同方向的電場和磁場間的交叉耦合有關[40]。電磁波傳輸經過手性結構服從以下關系

(4)

其中ε0和μ0是真空介電常數和磁導率,εr和μr是手性介質的相對介電常數和磁導率,c是真空中光速,κ作為手性參數代表了電場和磁場交叉耦合的強度,也是對手性強度的一種表征。通過手性超材料實現負折射率就是基于κ的大小。左旋和右旋圓偏光的折射率可通過以下公式求得

(5)

1.3手性超材料的有效參數提取

(6)

同樣，在第二個界面x=d處(見圖3),有

(7)

因為k++k-=2nk0,可從上述方程中求得透射率和反射率與其他系數的關系

(8)

對于LCP和RCP光波兩種情況下阻抗相等,因此R+和R-相等。對于κ=0的介質有:

R±=R，T±=Te±iκk0d。

(9)

基于上述方程,可通過已得透射率和反射率求得阻抗和折射率

(10)

其中m可以為任意整數,但要滿足阻抗實部和折射率虛部為正的條件。一旦阻抗和折射率確定,其他有效參數就相應得出:κ=(n+-n-)/2折射率n=(n+-n-)/2,磁導率和介電常數為μ=nz,ε=n/z。

圖3　光束從左側入射到手性超材料薄層的透射率和反射率示意圖Fig.3　Diagram of transmissions and reflections of circular polarized wave illuminating chiral metamaterial slab from the left

2　典型手性超材料結構及其電磁性質

2.1二維平面手性超材料結構及其電磁性質

平面手性超材料在2000年超材料提出后才逐步得到發展,而在此之前已有研究者提出二維尺度的手性概念[42-43]。早期的闡述大多都是理論探討和計算,2003年Papakostas等人最早在實驗上實現了對平面手性超材料的性質探究[23]。此后,關于平面手性超材料的探究逐漸趨于系統和完整化。平面手性超材料具有將部分入射圓偏振光轉換為相反偏振方向的性質,并且在不對稱傳輸中,轉換效率在光線相反傳輸情況下是不同的。不對稱傳輸與制作在基底上的平面手性結構所引起的不對稱耗散有關。在正常入射條件下這種現象只存在于各向異性有損耗的手性超材料結構中。而在斜入射條件下引入外在手性,入射面內或者垂直方向沒有鏡面對稱線,因此也可看到有損耗平面超材料中的不對稱透射現象。

具有內在的平面手性超材料,其鏡像不能與原圖形重合,常見的超材料圖形都是通過打破對稱性來滿足這一要求(如圖4所示)。除了圖4中列舉的曲線圖形,開口環諧振器(split ring resonator, SRR)結構也在手性超材料中得到了廣泛應用和系統研究。如圖5所示為不對稱金屬諧振環對構成的平面手性超材料,該結構通過長邊開口和短邊開口使對稱性破缺,因此從前向和背向觀察會呈現出不同的圖樣,可以實現對太赫茲波的不對稱傳輸[45],如圖5(b)和(c)所示。

(a)為魚鱗狀超分子結構[36]；(b)魚鱗狀手性超材料結構[38]；(c)為由獨立金屬構成曲線手性納米結構[44]圖4　具有圓轉換二向色性的典型內在手性平面超材料Fig.4　Typical intrinsic chiral planar metamaterials with circular conversion dichroism

(a)為超材料陣列和單元結構；(b)和(c)為圓偏振太赫茲波從結構前向和背向入射的實驗和仿真透射率結果[45]圖5　太赫茲波段平面手性超材料Fig.5　Planar chiral metamaterial in THz region

(a)內在結構性手性[39];(b)外在分子性手性;(c)外在結構性手性圖6　其他具有二維手性平面超材料Fig.6　Other planar metamaterials

與內在二維手性超材料類似,上述外在手性超材料具有分子性手性,即在傾斜超材料后每個單元分子單獨看來都具有手性。而對于非手性單元分子,則可以通過對非手性分子的陣列排布和傾斜激勵獲得,此時獲得的手性稱為外在結構性手性。Plum等人在內在結構性手性超材料的基礎上,對以雙圓環陣列組成的外在結構性手性超材料進行探究[39]。如圖6(c)所示,先改變光波入射角度為30°,再將超材料沿著面內旋轉一定角度φ后,圓轉換二向色性現象因為外在手性的出現而顯現出來[39]。也說明了外在結構性手性超材料具有和分子性手性一致的二維手性特征。總體說來,能實現二維手性最主要的性質圓轉換二向色性的超材料主要有4種:內在分子性手性、內在結構性手性、外在分子性手性和外在結構性手性超材料。這4種結構的系統性研究使其可以在偏振敏感器件和圓偏振轉換等方向發揮其潛在的應用,也為各波段光波特別是近些年被廣泛關注的太赫茲波的調控提供了新穎的思路和方法。

2.2三維手性超材料結構及其性質

三維手性介質如糖溶液、石英等的手性和平面手性結構不同,三維手性結構的旋轉方向在兩個相反方向觀察是一致的,因此光波沿著相反方向入射可得到一致的透射率,故而不具有圓轉換二向色性,但三維手性超材料卻有著優異的旋光性和圓二向色性。對于具有內在手性的三維超材料,我們設計并仿真模擬了基于太極圖樣的雙層手性超材料,而層間的電磁耦合效應在太赫茲范圍實現了極大的旋光性和圓二向色性[46]。從圖7(a)所示的單元結構示意圖中可以看出,該超材料具有內在三維手性。從圖7 (b)中也可以看出，雖然如前所述LCP和RCP入射波的反射率基本相同,但透射率在第一個共振F1=1.85 THz后開始出現明顯差異,特別是在兩個共振位置處。通過分析共振處的兩種圓偏光入射下表面電流分布可以得出透射率不同的原因。如圖7(c)和(e)所示F1處的電流分布,RCP波入射在兩層圖樣的尖端處，激勵出逆時針流動的強電流，入射THz波與手性結構相互作用,因此此處透射率比LCP的透射率低許多。而LCP入射下兩層結構中激勵出相同流動方向的電荷則非常微弱,由此引起的弱相互作用使透射率值較高。與F1類似,在共振頻率F2處LCP同樣在兩層激勵出相同方向電荷分布,而RCP激勵出順時針流動電荷。但此時LCP激勵出更強的電流,因此透過率更低。此外,在LCP激勵下的相同電流分布會增大回復力,使共振出現在更高頻位置(F2),我們稱其為不對稱模式。相反RCP對應的低頻共振(F1)則稱為對稱模式。

(a)單元結構示意圖;(b)紅色和藍色曲線分別為超材料在LCP和RCP波入射下的透射,黑色曲線為反射率光譜[46];(c)～(f)為兩個共振頻率F1和F2處兩種圓偏光入射對應的表面電流分布圖7　內在三維手性雙層超材料Fig.7　Intrinsic 3D chiral bilayer metamaterial

與此同時,正是該手性超材料結構的特殊性實現了對THz波偏振的改變。如圖8 (c) 所示為該雙層結構對應的偏振旋轉角和橢圓率。偏振旋轉角在F1和F2處分別達到了兩個峰值145°和86°,而橢圓率也從0.37°變到了-0.37°。而在兩個共振間橢圓率幾乎為零的位置,純旋轉角也高達19°。考慮結構微米量級的厚度和F1處對應的波長,可得到該手性結構的峰值和純旋轉角分別高達2 258°/λ和296°/λ。對比具有旋光性的自然介質如石英(在400 nm處0.02°/λ),該手性超材料的旋光性高出數倍。特別地,在雙層手性超材料的基礎上,改變層數也能得到不同的手性特征。如圖8(a)中所標注結構的不同層數,從(b)中得到單層和3層的結構不具有手性特征,而雙層和4層則有明顯的旋光性和圓二向色性。同樣通過電流模式的分析我們得到,單層和3層結構中被LCP和RCP激勵出的模式一致,而另兩種情況則不然,因此對入射光的偏振狀態更加敏感,也更易使入射線偏振光旋轉。這種奇偶層數的明顯差異可被用來實現手性的激勵和湮滅。

(a)多層圖樣超材料示意圖;(b)當結構包含層數為單層和3層時對應LCP和RCP波的透射率光譜;(c)和(d)為雙層和4層結構對應的偏振旋轉角和橢圓率[46]圖8　不同層數太極圖樣超材料Fig.8　Tai Chi pattern metamaterial with different layers

除了上述旋光性和圓二向色性的特征外,通過三維手性超材料還可以實現負折射率現象。如圖9所示，為Plum等人研究的手性超材料[29],圖(a)和圖(b)分別為多層和雙層手性超材料的單元結構示意圖,圖(c)所示為雙層圖樣超材料基于透射和反射率提取到的手性和非手性超材料的有效參數:折射率n±，手性參數κ，磁導率μ和介電常數ε。可以看到,在共振A和B處手性參數有最大值并且分別得到負磁導率和介電常數。特別地,即使沒有得到同時為負的μ和ε,仍然可以在兩個位置處實現負折射率。該手性超材料實現了微波范圍的負折射率,同樣太赫茲范圍的負折射率也可以通過手性超材料實現[47]。

(a)多層結構單元示意圖；(b)雙層結構陣列示意圖；(c)實驗中得到雙層手性超材料的有效參數:折射率n±,手性參數κ,磁導率μ和介電常數ε[29]圖9　內在三維手性超材料Fig.9　Intrinsic 3D chiral metamaterial

除了本身具有三維內在手性的超材料,外在三維手性同樣可以實現旋光性和圓二向色性,并發揮其獨特的光電性質。與外在二維手性類似,外在三維手性的實現通常需要光波斜入射,且其手性特征的強度也依賴于入射角度。但這也使得與外在三維手性相比，內在手性具有更好的靈活性和可調節性。關于外在手性實現旋光性的可能性早在1945年被提出,在40多年前也有人利用液晶做過光線傳輸的實驗[48]。而Plum等人的工作則使得外在三維手性在超材料中的研究趨于可行化和系統化[34, 49]。他們第一次在實驗上闡述了通過平面超材料得到的外在三維手性可以實現旋光性和圓二向色性[49]。如圖10 (a)所示結構可以看到該超材料由普通開口環組成,在光波正入射下,將超材料平面沿著鏡面對稱線旋轉即等同于斜入射情況。從圖10 (b)旋轉結構平面30°的結果看到LCP和RCP波的直接透射率在5～7 GHz內有明顯不同,說明了圓二向色性和旋光性的存在。從圖10(c)和(d)中可以看出在0°正常入射情況下幾乎看不到手性特征,而隨著角度增大在共振位置處圓二向色性和旋光性都隨之逐漸增大。并且相反旋轉角得到的結果一致，只是符號相反。對比其他三維手性超材料不難看出,這種基于平面超材料得到的三維手性不但制作簡單,也能快速實現對圓二向色性和旋光性的調節,因此在偏振調控方面具有極大的潛力。

(a)結構示意圖；(b)LCP和RCP波的透射率光譜；(c)和(d)當結構旋轉角度從0°增大至30°對應的圓二向色性和偏振旋轉角[49]圖10　由平面超材料實現外在三維手性Fig.10　Extrinsic 3D chiral based planar metamaterial

3　手性超材料的應用

3.1基于手性超材料實現負折射率

當LCP和RCP波通過手性結構得到不同的透射率,進一步可以得到不同的折射率,而在手性參數κ更大的圓偏光下可以得到負折射率。因此通常用來實現負折射率的手性超材料都具有圓二向色性。如圖11 (a) 所示為最早在實驗上實現太赫茲頻率的手性超材料結構[20]。該結構由四對垂直排列的諧振體構成,每對由金屬條帶連接構成手性結構。圖11(b)～(d)的負折射率響應均出現在GHz (1 GHz=109Hz),3種手性超材料對應不同的結構設計[22, 50-51]。手性超材料在實現負折射率方面的闡述也為研究光波電磁性質提供了新的思路。

(a)垂直諧振體手性結構[20];(b)由4個連結的SRR對構成手性結構[22];(c)互補型十字線對手性結構[50],(d)由4個‘U’型SRR構成手性結構[51]圖11　典型可實現負折射率的手性超材料Fig.11　Typical chiral metamaterials with negative refractive index

3.2手性超材料增強生物傳感

一些生命基本分子由手性分子單元如氨基酸和糖分子等構成,因此,手性敏感光譜技術如圓二向色性、光學旋轉色散關系和拉曼旋光性等都可用來探測和表征三維生物宏觀分子結構,在生物分子科學中被廣泛使用[52]。Hendry等人通過平面手性超材料大幅度地增強手性光學測量的靈敏性,實現了皮克量級分子的探測和表征。如圖12 (a)所示為由不同旋轉方向萬字形單元構成的平面手性超材料結構對應的圓二向色性譜(circular dichroism，CD),從中可以看到在3個共振位置處有由金引起的等離子體共振響應,這個位置手性的靈敏度最強,當蛋白質分子吸附上超材料結構后,對比其吸附后對共振的影響就可以得到該蛋白質分子的表征(圖12(b))。

(a)兩種相反旋轉方向萬字形構成超材料的CD譜;(b)血紅蛋白、熱處理變性β-乳球蛋白、β-乳球蛋白分子在吸附后對CD譜的影響,紅色和黑色分別代表吸附前和吸附后的結果[52]圖12　平面手性超材料表征蛋白質分子Fig.12　Protein molecules Characterization based on planar chiral metamaterials (PCMs)

3.3基于手性超材料的光學元器件

手性超材料對電磁波獨特的調控特點使其在各種光學元器件中也有廣泛的應用。Wang等人在用四對連結形成手性結構的基礎上加上兩個金屬板形成了吸收體[21]。如圖13 (a)～(b)所示,該吸收體不受入射角度和偏振的影響,可實現吸收率接近于100%。而在偏振旋轉方面,Gansel等人設計的螺旋形手性光子超材料可以阻擋和螺旋結構同旋轉方向的圓偏振光而使另一個圓偏光通過[53]。并且通過增加螺旋片層結構的數量可以使偏振作用的波長范圍增大,實現寬頻偏振片。Ye等人將4個相同的金屬線排列成首尾相接的方形以形成手性結構[54],該手性超材料可使線偏振光在通過結構后偏振旋轉成垂直于之前的方向,實現了幾乎90°的偏振旋轉。這種垂直偏振旋轉效率高達90%的手性超材料使其在遠程通信等方面有著巨大的應用潛力。

(a)和(b)手性超材料吸收體及其吸收率光譜[21];(c)寬帶圓偏振片[53];(d)90°偏振旋轉體[54]圖13　基于手性超材料的光學元件Fig.13　Optic components based on chiral metamaterials

4　總結和展望

手性超材料在光電等領域對光波的偏振調控和電磁波性質探究等都有著廣泛的應用,特別是在生物科學領域的手性分子傳感方面具有巨大的潛力和廣闊的應用前景。具有不同維度和性質的手性超材料具有不同的應用價值,因此需要根據手性超材料的特征對其分類進行歸納闡述。手性超材料根據結構本身是否具有手性可將其分為內在和外在手性超材料,而兩類又可根據維度分為二維和三維手性超材料。二維平面手性超材料最主要的性質為圓轉換二向色性,可在偏振敏感器件和圓偏振轉換以及太赫茲波調控等方向發揮其潛在的應用。三維手性超材料相比自然材料和二維手性超材料具有優異的旋光性和圓二向色性,特別地,可以突破介電常數和磁導率同時為負的限制而實現負折射率。因此，三維手性超材料在光學、生命科學和化學等領域都有重要應用。

從近些年手性超材料的研究中可以看到它的發展也面臨著機遇和挑戰。手性超材料主要應用的材料種類較少,需要考慮多種材料如半導體、超導材料、熱敏材料、相變材料或新型二維材料等，使手性的設計和性能更加多元化。同時因為微加工工藝仍需進一步提高與完善,關于三維手性超材料的實驗報道較少,特別是近幾年逐漸發展起來的THz波段。在應用方面,雖然手性超材料能實現對光波偏振的調控,在生物分子測定等方面有巨大潛力,但具體將手性超材料與實際應用結合起來的例子較少,手性超材料完美應用于實際中還需要進一步的研究與實踐。手性超材料未來需要在可見光,太赫茲等多波段設計出更多新穎獨特的手性結構,實現奇特的光電性能,使其在光電子學、通信、納米和生命科學領域發揮其無限的潛力。

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(編輯李靜，曹大剛)

作者簡介

徐新龍，2006年于中國科學院物理研究所取得博士學位，先后在中國科學院國家納米科學中心、英國牛津大學物理系、新加坡南洋理工大學物理系等單位做研究助理、博士后工作。2011年到中國科學院物理研究所工作，任副研究員；后調入西北大學光子學與光子技術研究所，任教授，博士生導師。

主要從事超快光學，太赫茲物理及器件，超材料及二維材料性質及器件等方面的研究與教學工作。先后主持國家自然科學基金面上項目、軍口“863”項目、陜西省科技新星項目等6項。2011年入選陜西省青年百人計劃，2012年獲得陜西省科技新星榮譽稱號。在《NanoLetters》，《ACSNano》，《PhysicsReviewB》，《AppliedPhysicsLetters》等國際國內期刊發表SCI論文50余篇。關于柔性超材料的研究工作被Nature Asia Materials等作為研究亮點報道。

The design, electromagnetic properties and applications of chiral metamaterials

XU Xin-long, HUANG Yuan-yuan, YAO Ze-han, WANG Qian, YU Lei-lei

(Institute of Photonics & Photon-Technology/State Key Lab Incubation Base of Photoelectric Technology and Functional Materials, Northwest University, Xi′an 710069, China)

This paper reviews the latest research progresses on chiral metamaterials. First of all, the chiral materials were classified systematically according to the dimension of metamaterial, intrinsic chirality and extrinsic chirality. Based on the classification, several typical metamaterials were analyzed with chirality and investigate the electromagnetic properties. In the end, the applications of chiral metamaterial were demonstrated, for instance, negative refractive index phenomenon based on chirality, bio-sensing enhancement using chiral metamaterial and some other polarization devices based on chirality. The research of chiral metamaterial could not only promote the developments of optoelectronics, nano-technology, biology and some other subjects, but also has extensive application prospect.

chirality； metamaterial； optical activity； negative refractive index； sensor； terahertz

2015-11-04

國家自然科學基金資助項目(11374240);國家教育部基金資助項目(2013101110007);陜西省教育部重點實驗室科學研究計劃基金資助項目(13JS101);國家重點基礎研究基金資助項目(2014CB339800)

徐新龍，男，江蘇南通人，西北大學教授，從事光電子學研究。

O441.6

ADOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-01-001