通过各向异性连续体实现本征无手性的超表面垂直手性发射

为什么光的“扭转”重要

光不仅仅是亮度和颜色——它还有一种可以是右旋或左旋的“扭转”，称为圆偏振。控制这种扭转对从3D显示和安全通信到高级化学分析与下一代传感器等多种技术都至关重要。本文报道了一种意外的方法：利用一个平面、精心图案化但本身并不手性的表面来产生强烈的扭转光，这推翻了纳米光子学中的长期假设。

把平面图案变成扭转光源

传统上，为了让光带有偏好的扭转，工程师构建微小的三维结构，这些结构本身不具备镜像对称——看上去与其镜像不同。所谓的手性结构对右旋和左旋圆偏振光有不同的响应，但它们难以制造和调谐。作者提出了一个大胆的问题：一个完全镜面对称、本质上无手性的平面表面是否仍能垂直方向上发出高度扭转的光？他们在理论与实验中给出的答案是肯定的。

一个称为各向异性连续体的新场域

关键思想是把背景光学环境看作非被动的背景，而是一个主动成分。团队引入了“各向异性连续体”的概念：一片允许的广谱光学态，对沿两个互相垂直方向振动的光有不同响应。当超表面的一个特殊、寿命较长的模态——实质上是被束缚的光——位于这种各向异性背景中时，发射光的两个偏振分量可以获得固定的相位延迟。通过调整几何形状使该延迟为四分之一周期，并平衡两分量的强度，合成光就能变为完美的圆偏振光。

对称表面如何学会“扭曲”光

在实践中，研究者设计了由成对微小硅条（偶极子）组成的表面，这些硅条垂直蚀刻在上下相同的玻璃样环境中。这保持了水平平面的镜面对称，因此按常规推理该结构不应偏好左旋或右旋发射。他们首先调节条的整体尺寸，使束缚模在各向异性连续体中获得正确的相位关系。然后引入温和的面内畸变——在每对条内做轻微位移和不对称处理——以使束缚模向两种偏振方向泄露。这些面内微调并未打破上下的镜面对称，但与各向异性连续体共同作用，足以将束缚模转化为强的圆偏振光源。

上下方向呈现相反的扭转

为验证该概念，团队在硅表面覆盖了一层薄薄的荧光有机染料。当他们用绿色激光照射样品时，染料发射近红外光，这些光被引导进入超表面模态并随后垂直释放。通过分析发射光的偏振，他们发现向上发射的光强烈偏右旋，而向下发射的光强烈偏左旋。圆偏振度在向上约为+0.83，向下约为−0.9，意味着几乎所有各自方向的发射都携带单一手性。这种上下相反的扭转反映了这样一个事实：镜面对称结构总体上不能产生净手性，尽管每个方向单独可以非常具有手性。

对未来光子器件的意义

该研究表明，在法向产生高度扭转光时，打破平面外的镜面对称并非严格必要。相反，通过设计平面超表面、其面内不对称性与各向异性连续体之间的相互作用，可以连续调节发射偏振从线偏振到椭圆偏振再到近乎完美的圆偏振——同时保持结构在垂直方向上的对称。这一新设计原则有望简化紧凑、高效偏振光源与控制器的制造，应用包括偏振荧光、热辐射控制、手性传感和自旋选择光电探测器，且可与现有半导体工艺兼容的制造方法相配合。

引用: Sun, Y., Hu, Z., Liu, M. et al. Vertical chiral emission from an intrinsically achiral metasurface enabled with anisotropic continuum. Nat Commun 17, 2217 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68728-2

关键词: 圆偏振光, 介质超表面, 光学手性, 纳米光子学, 偏振发射