近日，南京大学李涛教授、祝世宁院士研究组基于平面手性超构原子提出了一种超构表面调控自旋光相位的新机制，以及超构表面功能设计的新方案。相关成果以“Metasurfaces with Planar Chiral Meta-Atoms for Spin Light Manipulation”为题在线发表于国际著名期刊《Nano Letters》上。论文通讯作者为李涛教授，第一作者为现代工程与应用科学学院博士生陈晨。

　　图1 平面手性超构原子实现自旋光相位独立调控的示意图

　　研究背景

　　超构表面是当前极具吸引力的新颖光学设计，可实现诸如平面透镜、超构全息等丰富多彩的功能。这些波前调控的实现主要依赖于超构表面的相位调控能力。目前主要的相位调控机制包括波长依赖的共振、几何相位和传播相位相。每种调控方法都有各自的优点及劣势，人们也逐渐倾向于同时用多种机制联合调控来实现更优的性能及更复杂的功能。

　　几何相位调控由于其非共振、宽带、结构鲁棒性等特点被人们广泛采用。不过，它对圆偏振的响应是基于空间旋转排布方式实现的，可以认为是一种全局的手性光场响应。由于其单元结构本征的对称性，它对左右旋偏振光的响应关系是绑定的。为了打破对称性实现自旋解耦的功能，人们发展了很多方法，包括基于几何相位的空间复用法，几何相位结合与传播相位联合调控等方法。可以看到调控机制越丰富，性能提升的空间越大。

　　创新研究

　　在本工作中，研究者提出了一种基于平面手性超构原子的相位调制方法，不同于几何相位的全局性特征，这种对圆偏振光场的相位调控方式是在亚波长单元内打破旋转对称性，实现自旋解耦的功能(图1)。工作首先揭示了打破镜面对称性和高阶旋转对称性的结构（如Z字型结构）在圆偏振光下的相位调控原理，然后研制了硅纳米柱超构表面，在980 nm波长下验证了这类手性超构原子在单个圆偏振光下的波前调控能力(图2)，实验显示其具有宽带鲁棒及高效的特性。研究者进一步利用手性超构原子对左右旋圆偏振光非对称的相位响应，设计并验证了自旋解耦的全息功能(图3)。此外，作者还将手性超构原子与几何相位相结合，以更少的单元种类实现了相同的自旋解耦的功能，并将其与前人广泛使用的传播相位和几何相位相结合的方法进行了对比，验证了由于手性超构原子的鲁棒性和更多自由度所带来的更优性能（见图4）。

　　图2 手性超构原子在单一圆偏振光下的波前调控结果(a)样品电镜照片(b)实验得到的全息图(c)宽带内的衍射效率分布。

　　图3 手性超构原子实现自旋解耦的全息成像 (a)参数空间图(b)样品电镜图(c)-(f)设计波长及宽带内不同圆偏振光入射得到的全息图。

　　图4 不同方法实现自旋解耦的全息成像结果对比。手性超构原子与几何相位结合的方法下的(a)参数空间图(c)样品电镜照片(e)右旋光入射的全息图(g)左旋光入射的全息图；传播相位和几何相位结合的方法下的(b)参数空间图(d)样品电镜照片(f)右旋光入射的全息图(h)左旋光入射的全息图。

　　总结

　　本工作所提出的平面手性超构原子的设计方案，是通过结构参数空间的拓展实现自旋光相位的独立调控，也可以与其它调控方法一起联合调控，实现功能特性的提升。这将极大助力高性能超构光学器件的开发。该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委等项目的支持。作者感谢南京大学微加工中心的技术支持、南京大学登峰人才计划、卓越计划的支持。