科學(xué)家在手性光學(xué)領(lǐng)域獲重要突破

從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校陳楊教授與哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)、新加坡國(guó)立大學(xué)的學(xué)者合作，首次實(shí)現(xiàn)并觀測(cè)到具有極致內(nèi)稟手性的連續(xù)域中束縛態(tài)，在光學(xué)波段同時(shí)得到高達(dá)0.93的圓二色譜信號(hào)和高達(dá)2663的光學(xué)品質(zhì)因子，顯著增強(qiáng)了光與物質(zhì)的手性相互作用。這項(xiàng)研究在手性光學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，研究成果日前發(fā)表于《自然》。

手性在自然界中廣泛存在

當(dāng)一個(gè)物體無(wú)法通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移等操作與其鏡像體相重合時(shí)，該物體即具有手性。手性在自然界中廣泛存在，如我們的雙手，左手和右手互為鏡像且無(wú)法重合。構(gòu)成生命體的基本大分子，如氨基酸、核糖核酸、單糖等都具有手性結(jié)構(gòu)?！犊茖W(xué)》雜志在最新發(fā)布的“全世界最前沿的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題”中將“為什么生命需要手性”列為其中之一。

研究物質(zhì)手性有助于探索生命的起源之謎，從具體應(yīng)用來(lái)說(shuō)，在疾病診斷、藥物開(kāi)發(fā)、食品化妝品等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。如在患有帕金森綜合征、阿爾茨海默病等病人的體液中，某些特征性手性分子的組分和健康人差異很大。市面上96%的藥物都是由手性分子構(gòu)成，如常見(jiàn)的左旋氧氟沙星、右旋布洛芬等。

手性光學(xué)法是研究物質(zhì)手性的常用方法，其研究核心是增強(qiáng)光與物質(zhì)的手性相互作用。自然界中物質(zhì)具有的內(nèi)稟手性通常極其微弱，其產(chǎn)生的手性光學(xué)響應(yīng)也難以探測(cè)。

手性連續(xù)域中束縛態(tài)是一種具有極致內(nèi)稟手性和高品質(zhì)因子的奇異光學(xué)態(tài)。盡管?chē)?guó)際知名研究組先后從理論上研究了這種光學(xué)態(tài)，但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難以在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)，這些工作仍停留在理論階段。

此次研究中，合作團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出利用結(jié)構(gòu)傾斜打破二氧化鈦介質(zhì)超表面的面外鏡面對(duì)稱(chēng)，并結(jié)合面內(nèi)的梯形納米孔設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了三維真手性結(jié)構(gòu)，同時(shí)基于微觀模型和手性光學(xué)的一般性理論清晰揭示了這種設(shè)計(jì)的物理機(jī)理。在光學(xué)波段同時(shí)得到高達(dá)0.93的圓二色譜信號(hào)和高達(dá)2663的光學(xué)品質(zhì)因子，比現(xiàn)有手性超材料高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

《自然》雜志審稿人稱(chēng)，“這項(xiàng)成果代表了手性光學(xué)領(lǐng)域的重要突破，該工作能取得如此高的品質(zhì)因子和強(qiáng)手性光學(xué)響應(yīng)，令人印象非常深刻。”

審核編輯 ：李倩