近日，南開大學(xué)教授付學(xué)文、任夢昕和許京軍團隊與北京大學(xué)教授劉運全合作，結(jié)合超快透射電子顯微鏡中的光致近場超快電子顯微成像（PINEM）與遠(yuǎn)場橢偏測量，首次從飛秒與納米時空尺度揭示了“?！毙问中越饘俪砻鎸⒕€偏振光轉(zhuǎn)換為橢圓偏振光的微觀物理機制。相關(guān)成果以“基于超快電子顯微鏡從納米-飛秒尺度解析手性超表面光變換過程”為題發(fā)表于國際知名期刊《Light: Science & Applications》。

圖1 近場橢偏率與遠(yuǎn)場橢偏角的定量關(guān)聯(lián)

手性微納結(jié)構(gòu)在與光場相互作用時，會產(chǎn)生顯著的手性光學(xué)響應(yīng)，如圓二色性，這為手性傳感、量子光學(xué)和新型偏振光學(xué)器件等前沿領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。近年來，通過精密設(shè)計的手性超表面，能在亞波長尺度實現(xiàn)對光偏振態(tài)的高效調(diào)控。然而，傳統(tǒng)的光學(xué)表征技術(shù)（如遠(yuǎn)場光譜測量）僅能獲取空間平均的宏觀信號，無法揭示單個結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部光場在納米尺度的空間分布和在飛秒尺度的動態(tài)演化過程，嚴(yán)重制約了對手性光場產(chǎn)生與調(diào)控微觀機制的深入理解。

研究團隊基于自主設(shè)計開發(fā)的新一代熱場發(fā)射槍的超快透射電子顯微鏡（Rev. Sci. Instrum. 96, 033701（2025）），利用其光致近場超快電子顯微成像（PINEM）模式，在飛秒與納秒時空尺度對“?！毙谓饘偈中猿砻嬖?80-830 nm波段激發(fā)下進行結(jié)構(gòu)單元水平的微觀近場成像探測。

實驗發(fā)現(xiàn)，在水平偏振光激發(fā)下，手性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光學(xué)近場在水平對稱分布之外，還出現(xiàn)了顯著的垂直方向非對稱分量，且該分量的空間分布和強度隨激發(fā)波長發(fā)生規(guī)律性變化。團隊進而提出“近場橢偏率”概念，將其定義為，其中分別為非對稱與對稱區(qū)域的近場強度積分，m表示近場整體旋轉(zhuǎn)方向。

結(jié)果顯示，近場橢偏率的變化趨勢與遠(yuǎn)場橢偏率的變化趨勢高度一致。結(jié)合有限元電磁仿真，發(fā)現(xiàn)在730-830 nm波段“?！毙谓Y(jié)構(gòu)右上角局域電偶極逐漸增強，與主體結(jié)構(gòu)共同形成不對稱的電四極子模式。該“角電偶極”的貢獻隨波長增加而顯著提高，主導(dǎo)了近場不對稱性與橢偏率的增強，是手性超表面產(chǎn)生手性光學(xué)活性的關(guān)鍵物理起源。通過時間分辨PINEM成像，發(fā)現(xiàn)非對稱近場的衰減時間比對稱近場快25-150 fs，表明手性超表面在調(diào)控光場過程中存在獨特的能量耗散路徑。

圖2手性依賴的近場超快耗散過程

據(jù)介紹，該研究通過超快透射電子顯微鏡技術(shù)成功實現(xiàn)了對手性超表面中光場轉(zhuǎn)化過程的時空解析，從納米和飛秒尺度揭示了其微觀機制，不僅為理解光與手性物質(zhì)相互作用提供了新的實驗視角和關(guān)鍵證據(jù)，也展示了超快透射電子顯微鏡在微納光子學(xué)領(lǐng)域的獨特應(yīng)用潛力。研究成果深化了對幾何手性、近場分布與遠(yuǎn)場響應(yīng)之間關(guān)聯(lián)的認(rèn)識，對未來設(shè)計高性能、可調(diào)控的手性光子學(xué)器件具有重要指導(dǎo)意義。

來源：光明網(wǎng)