手性超材料的设计、电磁特性及应用

徐新龙, 黄媛媛,姚泽瀚,王　倩,宇磊磊

(西北大学 光子学与光子技术研究所/光电技术与功能材料国家重点实验室培养基地,陕西 西安　710069)



·特约稿件·

手性超材料的设计、电磁特性及应用

徐新龙, 黄媛媛,姚泽瀚,王倩,宇磊磊

(西北大学 光子学与光子技术研究所/光电技术与功能材料国家重点实验室培养基地,陕西 西安710069)

综述了手性超材料最新研究进展。首先根据超材料的维度以及内在手性和外在手性对手性材料进行了系统的分类。在此基础之上,分析了几种典型的具有手性的超材料结构,并对其电磁性质进行了研究。最后对手性超材料的应用进行了分析,例如利用手性实现负折射率, 利用手性超材料来增强生物传感以及基于手性的偏振器件。手性超材料的研究将会促进光电、纳米、生物等学科的发展,并具有广泛的应用前景。

手性；超材料；旋光性；负折射率；传感；太赫兹

电磁超材料(metamaterial)是一种由亚波长单元构成的人工复合电磁材料。超材料的物理特性除了依赖于组成超材料的物质的自然特性外,还依赖于组成超材料的结构单元的几何形状和尺寸等。因此，其电磁性质可以通过人工设计进行调谐,并通过微纳加工技术得以实现[1]。1999年英国帝国理工大学的Pendry教授提出由非磁性金属材料构成的亚波长尺度双开口环谐振器(double split-ring resonator, DSRR),用于实现人工磁响应[2]。其后超材料获得了广泛的关注,并被用于在实验上实现自然材料很难实现的负折射率[3]。此后,基于超材料的隐身衣[4]、超吸收体[5]等性质及其应用也受到了国内外广泛的关注。

目前超材料的研究有两个方向的发展趋势。首先,随着近年微纳加工技术的发展,超材料的研究范围从微波波段进一步往高频发展。特别是对功能器件较少的太赫兹波段(1 THz=1012Hz)[6-8],超材料对THz波振幅、相位、偏振和传播可以进行灵活有效的调控,从而实现THz功能器件。因此，基于超材料的空间调制器、电调制器和超吸收体等方面的研究极大地推进了对THz波的调控和THz功能器件的发展。其次,超材料和新型功能材料的结合也催生出一些新的器件。例如二维纳米材料——石墨烯[9]与超材料的结合[10]进一步提高了吸收体[11]、调制器[12]和折射率可调器件[13]等功能器件的性能,同时也为基于超材料的器件设计提供了新的思路。

除了上述两方面,偏振态调控也是近年来超材料研究的热点。手性超材料不仅能有效调控超材料的偏振,更能为超材料带来独特的手性特征,从而扩大超材料在偏振和负折射率等方面的应用。手性是指物体不能通过旋转或平移等操作与其镜像重合的性质。在超材料概念提出前,关于手性的研究大都围绕自然界中的手性介质和分子的旋光性[14-15]。手性超材料的蓬勃发展则是在Pendry提出用手性超材料结构实现负折射率现象[16]之后,从而打破了要实现负折射率必须满足介电常数和磁导率同时为负这一条件的限制。在Pendry之后，Tretyakov从理论上分析了由手性偶极粒子组成的手性介质实现负折射率的可能性[17]。此外,由金属球体排列成螺旋状三维超材料也在理论上被证明可以实现负折射率[18]。在此之后,在各个频率范围内对手性超材料的研究不断涌现出来。Lindman作为先驱之一在1992年便探索了手性人工介质在微波波段的性质[19]；Zhang等人在实验上阐述了三维手性超材料在太赫兹范围的负折射率现象[20]；Wang等人设计的三维手性超材料不仅可以实现微波波段的负折射率,同时具有非常好的旋光性和圆二向色性[21-22]。但是，限于当时微纳加工技术的限制,这些三维手性超材料在制作上存在一些困难，而与此同时关于制作相对简单的平面手性超材料被证明同样可以实现旋光性[23-25]。Arnaut等人最早将平面手性结构引入到电磁学研究中来[26]。对仅有单层的手性超材料而言,光波在垂直入射时沿着传输方向不能观察到旋光性[27]，但通过基底的存在打破传输方向的对称性则可以实现平面手性超材料的旋光性[24-25]。这种平面结构的超材料所得手性依然比较微弱,而Rogacheva等人的开创性工作则完美解决了这一问题,他们提出双层手性结构可以得到巨大的旋光性[28]。双层手性结构超材料与普通三维手性超材料略有不同，两层间可以通过耦合实现优异的电磁学性能。此后,不同形状双层手性结构的研究开始层出不穷,例如花瓣形[29-30]、十字形[31]和万字型[32]等。而人们也可以通过灵活的设计得到具有多种独特性质的手性超材料。

本文旨在对目前不同类别的手性超材料的研究进展进行总结归纳,并结合我们前期的工作进一步研究超材料中手性出现的机制。

1　手性超材料简介

1.1手性超材料的分类

手性最早显现在自然结构和分子中,如呈镜像对称的贝壳、DNA双螺旋结构、氨基酸分子等(如图1(a)～(c)所示)。这些自然结构所显示的三维手性都比较微弱且难以提高,因此不易得到实际应用。应运而生的手性超材料不但可以提高手性特征和电磁响应性质使其被应用在不同领域,还可控制超材料的物理参数得到不同频率范围的响应,因此手性超材料的研究已经是超材料领域的一大研究热点。

根据存在手性的物质和结构是否为自然界本身存在,我们将手性结构材料分为自然手性材料和手性超材料(人工手性材料),如图1分类图所示。手性超材料存在内在和外在手性之分。具有内在手性的超材料结构单元(如图1(d)和(e)所示[33])对于任何入射方向的电磁波都表现出手性特征。而外在手性主要出现在非手性结构的超材料中,当光波斜入射或倾斜样品时,非手性结构的超材料与入射电磁波的波矢组成的系统不能与其镜像重合,从而对称性被打破,这时整个系统具有外在手性(如图1(f)和(g)所示),并表现出手性特性。除了内在和外在手性之分,根据手性超材料的维度也可将其分为二维和三维两种,而这两种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质同样重要。

图1　手性材料的分类[33] Fig.1　Classification of chiral metamaterials

1.2手性超材料的基本性质

沿着两个相反方向观察二维和三维手性超材料可以得到不同的结果。以具有平面手性的阿基米德螺旋线为例,从相反方向观察其旋转方向不同,而三维手性结构从两个相反方向观察旋转方向相同。这就决定了对这两种手性超材料的研究将会从不同的性质方向出发。对于三维手性超材料而言,相反方向的对称性使其具有两种重要性质:旋光性和圆二向色性。如图2(a)所示,旋光性是指可改变入射光束的偏振状态,使偏振旋转一定角度的一种性质,是一种与组成单元镜面不对称性相关联的基本电动力学效应。因为手性超材料的独特结构,左旋(left circular polarized, LCP)和右旋(right circular polarized, RCP)圆偏振光在传输时对应不同的折射率,使得两种圆偏振的光波间产生相位延迟,最终造成入射光偏振的旋转。自1811年Arago发现石英晶体具有将线偏振光旋转的性质后,便在分析化学、晶体学、分子生物学中和食品工业、医药、催化工业中发挥了重要的应用价值[28-34]。这是因为不同手性分子参加的化学反应机制不一样,对人体也具有不同的生理作用,因此对手性的测量和手性分子的分离一直是物理、化学、生物等学科研究的重点。旋光性的强弱与入射光的偏振状态无关,其数值大小可通过偏振光的偏振方位旋转角求得

(1)

(2)

(a)三维手性超材料旋光性和圆二向色性示意图;(b)二维手性超材料不对称传输示意图;(c)手性超材料透过率的实验测量[35]图2　手性材料的基本性质Fig.2　Basic properties of chiral media

自然界中存在的二维手性结构很稀少,因此对于二维手性结构的研究在近几年来才逐渐开展起来。二维手性结构在前向和背向方向观察旋转方向是不同的,光波在两个方向传输也会得到不同的性质。偏振旋转和椭圆率的改变最早发现于二维手性光栅[23],2006年关于二维手性超材料的圆转换二向色性第一次被Fedotov等人在实验上进行阐述[36]。圆转换二向色性是指左旋到右旋圆偏光和右旋到左旋圆偏光的转换效率不同,并且在相反传输方向下两个效率值互换,即前向传输左旋到右旋(右旋到左旋)与背向传输右旋到左旋(左旋到右旋)的转换效率相等。因为在前后两个方向入射光产生的透射率不同,这种性质也可称作不对称传输。如图2(b)所示,左旋和右旋光入射光在两个方向的透射率转换效率不同,这引起了不对称性传输。这种方向性的不对称性不仅体现在透射率,还体现在反射率和吸收率上。关于各向异性有损耗的二维手性超材料对圆偏光的不对称透射率在微波[36]、太赫兹[37]和可见波段[38]都有研究。Plum等人同样将这一手性性质拓展到了非手性超材料结构中[33],通过外在手性也得到了圆转换二向色性。

手性超材料的透射和反射的实验测量在微波波段常利用矢量网络分析系统(Agilent E8364B)实现,并利用一对喇叭天线作为发射体和接收体(图2(c))[35, 39]。从喇叭天线出射的光波是线偏振光,因此测量到的也是线偏振透射率Txx,Txy,Tyx和Tyy(下标中‘x’‘y’分别代表沿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)，圆偏振透射率可以通过线偏振测量获得

(3)

圆偏振反射率R++,R-+,R+-,R--也可用类似形式表达。

与普通超材料不同,手性超材料的电磁性质与沿着相同方向的电场和磁场间的交叉耦合有关[40]。电磁波传输经过手性结构服从以下关系

(4)

其中ε0和μ0是真空介电常数和磁导率,εr和μr是手性介质的相对介电常数和磁导率,c是真空中光速,κ作为手性参数代表了电场和磁场交叉耦合的强度,也是对手性强度的一种表征。通过手性超材料实现负折射率就是基于κ的大小。左旋和右旋圆偏光的折射率可通过以下公式求得

(5)

1.3手性超材料的有效参数提取

(6)

同样，在第二个界面x=d处(见图3),有

(7)

因为k++k-=2nk0,可从上述方程中求得透射率和反射率与其他系数的关系

(8)

对于LCP和RCP光波两种情况下阻抗相等,因此R+和R-相等。对于κ=0的介质有:

R±=R，T±=Te±iκk0d。

(9)

基于上述方程,可通过已得透射率和反射率求得阻抗和折射率

(10)

其中m可以为任意整数,但要满足阻抗实部和折射率虚部为正的条件。一旦阻抗和折射率确定,其他有效参数就相应得出:κ=(n+-n-)/2折射率n=(n+-n-)/2,磁导率和介电常数为μ=nz,ε=n/z。

图3　光束从左侧入射到手性超材料薄层的透射率和反射率示意图Fig.3　Diagram of transmissions and reflections of circular polarized wave illuminating chiral metamaterial slab from the left

2　典型手性超材料结构及其电磁性质

2.1二维平面手性超材料结构及其电磁性质

平面手性超材料在2000年超材料提出后才逐步得到发展,而在此之前已有研究者提出二维尺度的手性概念[42-43]。早期的阐述大多都是理论探讨和计算,2003年Papakostas等人最早在实验上实现了对平面手性超材料的性质探究[23]。此后,关于平面手性超材料的探究逐渐趋于系统和完整化。平面手性超材料具有将部分入射圆偏振光转换为相反偏振方向的性质,并且在不对称传输中,转换效率在光线相反传输情况下是不同的。不对称传输与制作在基底上的平面手性结构所引起的不对称耗散有关。在正常入射条件下这种现象只存在于各向异性有损耗的手性超材料结构中。而在斜入射条件下引入外在手性,入射面内或者垂直方向没有镜面对称线,因此也可看到有损耗平面超材料中的不对称透射现象。

具有内在的平面手性超材料,其镜像不能与原图形重合,常见的超材料图形都是通过打破对称性来满足这一要求(如图4所示)。除了图4中列举的曲线图形,开口环谐振器(split ring resonator, SRR)结构也在手性超材料中得到了广泛应用和系统研究。如图5所示为不对称金属谐振环对构成的平面手性超材料,该结构通过长边开口和短边开口使对称性破缺,因此从前向和背向观察会呈现出不同的图样,可以实现对太赫兹波的不对称传输[45],如图5(b)和(c)所示。

(a)为鱼鳞状超分子结构[36]；(b)鱼鳞状手性超材料结构[38]；(c)为由独立金属构成曲线手性纳米结构[44]图4　具有圆转换二向色性的典型内在手性平面超材料Fig.4　Typical intrinsic chiral planar metamaterials with circular conversion dichroism

(a)为超材料阵列和单元结构；(b)和(c)为圆偏振太赫兹波从结构前向和背向入射的实验和仿真透射率结果[45]图5　太赫兹波段平面手性超材料Fig.5　Planar chiral metamaterial in THz region

(a)内在结构性手性[39];(b)外在分子性手性;(c)外在结构性手性图6　其他具有二维手性平面超材料Fig.6　Other planar metamaterials

与内在二维手性超材料类似,上述外在手性超材料具有分子性手性,即在倾斜超材料后每个单元分子单独看来都具有手性。而对于非手性单元分子,则可以通过对非手性分子的阵列排布和倾斜激励获得,此时获得的手性称为外在结构性手性。Plum等人在内在结构性手性超材料的基础上,对以双圆环阵列组成的外在结构性手性超材料进行探究[39]。如图6(c)所示,先改变光波入射角度为30°,再将超材料沿着面内旋转一定角度φ后,圆转换二向色性现象因为外在手性的出现而显现出来[39]。也说明了外在结构性手性超材料具有和分子性手性一致的二维手性特征。总体说来,能实现二维手性最主要的性质圆转换二向色性的超材料主要有4种:内在分子性手性、内在结构性手性、外在分子性手性和外在结构性手性超材料。这4种结构的系统性研究使其可以在偏振敏感器件和圆偏振转换等方向发挥其潜在的应用,也为各波段光波特别是近些年被广泛关注的太赫兹波的调控提供了新颖的思路和方法。

2.2三维手性超材料结构及其性质

三维手性介质如糖溶液、石英等的手性和平面手性结构不同,三维手性结构的旋转方向在两个相反方向观察是一致的,因此光波沿着相反方向入射可得到一致的透射率,故而不具有圆转换二向色性,但三维手性超材料却有着优异的旋光性和圆二向色性。对于具有内在手性的三维超材料,我们设计并仿真模拟了基于太极图样的双层手性超材料,而层间的电磁耦合效应在太赫兹范围实现了极大的旋光性和圆二向色性[46]。从图7(a)所示的单元结构示意图中可以看出,该超材料具有内在三维手性。从图7 (b)中也可以看出，虽然如前所述LCP和RCP入射波的反射率基本相同,但透射率在第一个共振F1=1.85 THz后开始出现明显差异,特别是在两个共振位置处。通过分析共振处的两种圆偏光入射下表面电流分布可以得出透射率不同的原因。如图7(c)和(e)所示F1处的电流分布,RCP波入射在两层图样的尖端处，激励出逆时针流动的强电流，入射THz波与手性结构相互作用,因此此处透射率比LCP的透射率低许多。而LCP入射下两层结构中激励出相同流动方向的电荷则非常微弱,由此引起的弱相互作用使透射率值较高。与F1类似,在共振频率F2处LCP同样在两层激励出相同方向电荷分布,而RCP激励出顺时针流动电荷。但此时LCP激励出更强的电流,因此透过率更低。此外,在LCP激励下的相同电流分布会增大回复力,使共振出现在更高频位置(F2),我们称其为不对称模式。相反RCP对应的低频共振(F1)则称为对称模式。

(a)单元结构示意图;(b)红色和蓝色曲线分别为超材料在LCP和RCP波入射下的透射,黑色曲线为反射率光谱[46];(c)～(f)为两个共振频率F1和F2处两种圆偏光入射对应的表面电流分布图7　内在三维手性双层超材料Fig.7　Intrinsic 3D chiral bilayer metamaterial

与此同时,正是该手性超材料结构的特殊性实现了对THz波偏振的改变。如图8 (c) 所示为该双层结构对应的偏振旋转角和椭圆率。偏振旋转角在F1和F2处分别达到了两个峰值145°和86°,而椭圆率也从0.37°变到了-0.37°。而在两个共振间椭圆率几乎为零的位置,纯旋转角也高达19°。考虑结构微米量级的厚度和F1处对应的波长,可得到该手性结构的峰值和纯旋转角分别高达2 258°/λ和296°/λ。对比具有旋光性的自然介质如石英(在400 nm处0.02°/λ),该手性超材料的旋光性高出数倍。特别地,在双层手性超材料的基础上,改变层数也能得到不同的手性特征。如图8(a)中所标注结构的不同层数,从(b)中得到单层和3层的结构不具有手性特征,而双层和4层则有明显的旋光性和圆二向色性。同样通过电流模式的分析我们得到,单层和3层结构中被LCP和RCP激励出的模式一致,而另两种情况则不然,因此对入射光的偏振状态更加敏感,也更易使入射线偏振光旋转。这种奇偶层数的明显差异可被用来实现手性的激励和湮灭。

(a)多层图样超材料示意图;(b)当结构包含层数为单层和3层时对应LCP和RCP波的透射率光谱;(c)和(d)为双层和4层结构对应的偏振旋转角和椭圆率[46]图8　不同层数太极图样超材料Fig.8　Tai Chi pattern metamaterial with different layers

除了上述旋光性和圆二向色性的特征外,通过三维手性超材料还可以实现负折射率现象。如图9所示，为Plum等人研究的手性超材料[29],图(a)和图(b)分别为多层和双层手性超材料的单元结构示意图,图(c)所示为双层图样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参数:折射率n±，手性参数κ，磁导率μ和介电常数ε。可以看到,在共振A和B处手性参数有最大值并且分别得到负磁导率和介电常数。特别地,即使没有得到同时为负的μ和ε,仍然可以在两个位置处实现负折射率。该手性超材料实现了微波范围的负折射率,同样太赫兹范围的负折射率也可以通过手性超材料实现[47]。

(a)多层结构单元示意图；(b)双层结构阵列示意图；(c)实验中得到双层手性超材料的有效参数:折射率n±,手性参数κ,磁导率μ和介电常数ε[29]图9　内在三维手性超材料Fig.9　Intrinsic 3D chiral metamaterial

除了本身具有三维内在手性的超材料,外在三维手性同样可以实现旋光性和圆二向色性,并发挥其独特的光电性质。与外在二维手性类似,外在三维手性的实现通常需要光波斜入射,且其手性特征的强度也依赖于入射角度。但这也使得与外在三维手性相比，内在手性具有更好的灵活性和可调节性。关于外在手性实现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过光线传输的实验[48]。而Plum等人的工作则使得外在三维手性在超材料中的研究趋于可行化和系统化[34, 49]。他们第一次在实验上阐述了通过平面超材料得到的外在三维手性可以实现旋光性和圆二向色性[49]。如图10 (a)所示结构可以看到该超材料由普通开口环组成,在光波正入射下,将超材料平面沿着镜面对称线旋转即等同于斜入射情况。从图10 (b)旋转结构平面30°的结果看到LCP和RCP波的直接透射率在5～7 GHz内有明显不同,说明了圆二向色性和旋光性的存在。从图10(c)和(d)中可以看出在0°正常入射情况下几乎看不到手性特征,而随着角度增大在共振位置处圆二向色性和旋光性都随之逐渐增大。并且相反旋转角得到的结果一致，只是符号相反。对比其他三维手性超材料不难看出,这种基于平面超材料得到的三维手性不但制作简单,也能快速实现对圆二向色性和旋光性的调节,因此在偏振调控方面具有极大的潜力。

(a)结构示意图；(b)LCP和RCP波的透射率光谱；(c)和(d)当结构旋转角度从0°增大至30°对应的圆二向色性和偏振旋转角[49]图10　由平面超材料实现外在三维手性Fig.10　Extrinsic 3D chiral based planar metamaterial

3　手性超材料的应用

3.1基于手性超材料实现负折射率

当LCP和RCP波通过手性结构得到不同的透射率,进一步可以得到不同的折射率,而在手性参数κ更大的圆偏光下可以得到负折射率。因此通常用来实现负折射率的手性超材料都具有圆二向色性。如图11 (a) 所示为最早在实验上实现太赫兹频率的手性超材料结构[20]。该结构由四对垂直排列的谐振体构成,每对由金属条带连接构成手性结构。图11(b)～(d)的负折射率响应均出现在GHz (1 GHz=109Hz),3种手性超材料对应不同的结构设计[22, 50-51]。手性超材料在实现负折射率方面的阐述也为研究光波电磁性质提供了新的思路。

(a)垂直谐振体手性结构[20];(b)由4个连结的SRR对构成手性结构[22];(c)互补型十字线对手性结构[50],(d)由4个‘U’型SRR构成手性结构[51]图11　典型可实现负折射率的手性超材料Fig.11　Typical chiral metamaterials with negative refractive index

3.2手性超材料增强生物传感

一些生命基本分子由手性分子单元如氨基酸和糖分子等构成,因此,手性敏感光谱技术如圆二向色性、光学旋转色散关系和拉曼旋光性等都可用来探测和表征三维生物宏观分子结构,在生物分子科学中被广泛使用[52]。Hendry等人通过平面手性超材料大幅度地增强手性光学测量的灵敏性,实现了皮克量级分子的探测和表征。如图12 (a)所示为由不同旋转方向万字形单元构成的平面手性超材料结构对应的圆二向色性谱(circular dichroism，CD),从中可以看到在3个共振位置处有由金引起的等离子体共振响应,这个位置手性的灵敏度最强,当蛋白质分子吸附上超材料结构后,对比其吸附后对共振的影响就可以得到该蛋白质分子的表征(图12(b))。

(a)两种相反旋转方向万字形构成超材料的CD谱;(b)血红蛋白、热处理变性β-乳球蛋白、β-乳球蛋白分子在吸附后对CD谱的影响,红色和黑色分别代表吸附前和吸附后的结果[52]图12　平面手性超材料表征蛋白质分子Fig.12　Protein molecules Characterization based on planar chiral metamaterials (PCMs)

3.3基于手性超材料的光学元器件

手性超材料对电磁波独特的调控特点使其在各种光学元器件中也有广泛的应用。Wang等人在用四对连结形成手性结构的基础上加上两个金属板形成了吸收体[21]。如图13 (a)～(b)所示,该吸收体不受入射角度和偏振的影响,可实现吸收率接近于100%。而在偏振旋转方面,Gansel等人设计的螺旋形手性光子超材料可以阻挡和螺旋结构同旋转方向的圆偏振光而使另一个圆偏光通过[53]。并且通过增加螺旋片层结构的数量可以使偏振作用的波长范围增大,实现宽频偏振片。Ye等人将4个相同的金属线排列成首尾相接的方形以形成手性结构[54],该手性超材料可使线偏振光在通过结构后偏振旋转成垂直于之前的方向,实现了几乎90°的偏振旋转。这种垂直偏振旋转效率高达90%的手性超材料使其在远程通信等方面有着巨大的应用潜力。

(a)和(b)手性超材料吸收体及其吸收率光谱[21];(c)宽带圆偏振片[53];(d)90°偏振旋转体[54]图13　基于手性超材料的光学元件Fig.13　Optic components based on chiral metamaterials

4　总结和展望

手性超材料在光电等领域对光波的偏振调控和电磁波性质探究等都有着广泛的应用,特别是在生物科学领域的手性分子传感方面具有巨大的潜力和广阔的应用前景。具有不同维度和性质的手性超材料具有不同的应用价值,因此需要根据手性超材料的特征对其分类进行归纳阐述。手性超材料根据结构本身是否具有手性可将其分为内在和外在手性超材料,而两类又可根据维度分为二维和三维手性超材料。二维平面手性超材料最主要的性质为圆转换二向色性,可在偏振敏感器件和圆偏振转换以及太赫兹波调控等方向发挥其潜在的应用。三维手性超材料相比自然材料和二维手性超材料具有优异的旋光性和圆二向色性,特别地,可以突破介电常数和磁导率同时为负的限制而实现负折射率。因此，三维手性超材料在光学、生命科学和化学等领域都有重要应用。

从近些年手性超材料的研究中可以看到它的发展也面临着机遇和挑战。手性超材料主要应用的材料种类较少,需要考虑多种材料如半导体、超导材料、热敏材料、相变材料或新型二维材料等，使手性的设计和性能更加多元化。同时因为微加工工艺仍需进一步提高与完善,关于三维手性超材料的实验报道较少,特别是近几年逐渐发展起来的THz波段。在应用方面,虽然手性超材料能实现对光波偏振的调控,在生物分子测定等方面有巨大潜力,但具体将手性超材料与实际应用结合起来的例子较少,手性超材料完美应用于实际中还需要进一步的研究与实践。手性超材料未来需要在可见光,太赫兹等多波段设计出更多新颖独特的手性结构,实现奇特的光电性能,使其在光电子学、通信、纳米和生命科学领域发挥其无限的潜力。

[1]XU X, PENG B, LI D, et al. Flexible visible-infrared metamaterials and their applications in highly sensitive chemical and biological sensing [J]. Nano Letters, 2011, 11(8): 3232-3238.

[2]PENDRY J B, HOLDEN A J, ROBBINS D, et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena [J]. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, 1999, 47(11): 2075-2084.

[3]SMITH D R, PADILLA W J, VIER D C, et al. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity [J]. Physical Review Letters, 2000, 84(18): 4184.

[4]SCHURIG D, MOCK J, JUSTICE B, et al. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies [J]. Science, 2006, 314(5801): 977-980.

[5]LANDY N I, SAJUYIGBE S, MOCK J J, et al. Perfect metamaterial absorber [J]. Physical Review Letters, 2008, 100(20):207402.

[6]PADILLA W J, TAYLOR A J, HIGHSTRETE C, et al. Dynamical electric and magnetic metamaterial response at terahertz frequencies [J]. Physical Review Letters, 2006, 96(10):107401.

[7]ISHIKAWA A, TANAKA T. Plasmon hybridization in graphene metamaterials [J]. Applied Physics Letters, 2013, 102(25): 253110.

[8]WU X, QUAN B, PAN X, et al. Alkanethiol-functionalized terahertz metamaterial as label-free, highly-sensitive and specificbiosensor [J]. Biosensors and Bioelectronics, 2013, 42:626-631.

[9]GEIM A K. The rise of graphene [J]. Nature Materials, 2007, 6(3): 183-191.

[10] LI J, ZHOU Y, QUAN B, et al. Graphene-metamaterial hybridization for enhanced terahertz response [J]. Carbon, 2014, 78(18): 102-112.

[11] ALAEE R, FARHAT M, ROCKSTUHL C, et al. A perfect absorber made of a graphene micro-ribbon metamaterial [J]. Optics Express, 2012, 20(27): 28017-28024.

[12] ZHU W, RUKHLENKO I D, PREMARATNE M. Graphene metamaterial for optical reflection modulation [J]. Applied Physics Letters, 2013, 102(24): 241914.

[13] LEE S H, CHOI J, KIM H D, et al. Ultrafast refractive index control of a terahertz graphene metamaterial [J]. Scientific Reports, 2013, 3(7456): 120.

[14] APPLEQUIST J. Optical activity: Biot's bequest [J]. American Scientist, 1987, 75:58-68.

[15] LINDELL I V, SIHVOLA A, TRETYAKOV S, et al. Electromagnetic Waves in Chiral and Bi-isotropic Media [M]. London: Artech House，1994.

[16] PENDRY J B. A Chiral route to negative refraction [J]. Science, 2004, 306(5700): 1353-1355.

[17] TRETYAKOV S, SIHVOLA A, JYLH01 L. Backward-wave regime and negative refraction in chiral composites [J]. Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications, 2005, 3(2): 107-115.

[18] YANNOPAPAS V. Negative index of refraction in artificial chiral materials [J]. Journal of Physics Condensed Matter, 2006, 18(29): 6883.

[19] LINDELL I V, SIHVOLA A H, KURKIJ R J, et al. The last Hertzian, and a harbinger of electromagnetic chirality [J]. Antennas and Propagation Magazine, IEEE, 1992, 34(3): 24-30.

[20] ZHANG S, PARK Y S, LI J, et al. Negative Refractive Index in Chiral Metamaterials [J]. Physical Review Letters, 2009, 102(2): 023901.

[21] WANG B, KOSCHNY T, SOUKOULIS C M. Wide-angle and polarization-independent chiral metamaterial absorber [J]. Physical Review B, 2009, 80(3):033108.

[22] WANG B, ZHOU J, KOSCHNY T, et al. Nonplanar chiral metamaterials with negative index [J]. Applied Physics Letters, 2009, 94(15): 151112.

[23] PAPAKOSTAS A, POTTS A, BAGNALL D M, et al. Optical manifestations of planar chirality [J]. Physical Review Letters, 2003, 90(10):107404.

[24] KUWATA-GONOKAMI M, SAITO N, INO Y, et al. Giant optical activity in quasi-two-dimensional planar nanostructures [J]. Physical Review Letters, 2005, 95(22): 227401.

[25] BAI B, SVIRKO Y, TURUNEN J, et al. Optical activity in planar chiral metamaterials: Theoretical study [J]. Physical Review A, 2007, 76(2): 023811.

[26] ARNAUT L R. Chirality in multi-dimensional space with application to electromagnetic characterisation of multi-dimensional chiral and semi-chiral media [J]. Journal of Electromagnetic Waves & Applications, 1997, 11(11): 1459-1482.

[27] PROSVIRNIN S L, ZHELUDEV N I. Polarization effects in the diffraction of light by a planar chiral structure [J]. Physical Review E, 2005, 71(3):037603.

[28] ROGACHEVA A V, FEDOTOV V A, SCHWANECKE A S, et al. Giant gyrotropy due to electromagnetic-field coupling in a bilayered chiral structure [J]. Physical Review Letters, 2006, 97(17): 177401.

[29] PLUM E, ZHOU J, DONG J, et al. Metamaterial with negative index due to chirality [J]. Physical Review B, 2009, 79(3): 035407.

[30] PLUM E, FEDOTOV V A, SCHWANECKE A S, et al. Giant optical gyrotropy due to electromagnetic coupling [J]. Applied Physics Letters, 2007, 90(22): 223113.

[31] ZHOU J, DONG J, WANG B, et al. Negative refractive index due to chirality [J]. Physical Review B, 2009, 79(12): 121104.

[32] ZHAO R, ZHANG L, ZHOU J, et al. Conjugated gammadion chiral metamaterial with uniaxial optical activity and negative refractive index [J]. Physical Review B, 2011, 83(3): 035105.

[33] PLUM E, FEDOTOV V A, ZHELUDEV N I. Extrinsic electromagnetic chirality in metamaterials [J]. Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 2009, 11(7): 074009.

[34] PLUM E, LIU X X, FEDOTOV V A, et al. Metamaterials: Optical activity without chirality [J]. Physical Review Letters, 2009, 102(11):113902.

[35] WANG B, ZHOU J, KOSCHNY T, et al. Chiral metamaterials: simulations and experiments [J]. Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 2009, 11(11): 114003.

[36] FEDOTOV V A, MLADYONOV P L, PROSVIRNIN S L, et al. Asymmetric propagation of electromagnetic waves through a planar chiral structure [J]. Physical Review Letters, 2006, 97(16): 167401.

[37] SINGH R, PLUM E, MENZEL C, et al. Terahertz metamaterial with asymmetric transmission [J]. Physical Review B, 2009, 80(15): 153104.

[38] SCHWANECKE A S, FEDOTOV V A, KHARDIKOV V V, et al. Nanostructured metal film with asymmetric optical transmission [J]. Nano Letters, 2008, 8(9): 2940-2943.

[39] PLUM E, FEDOTOV V A, ZHELUDEV N I. Asymmetric transmission: A generic property of two-dimensional periodic patterns [J]. Journal of Optics, 2011, 13(2): 024006.

[40] LI Z, MUTLU M, OZBAY E. Chiral metamaterials: from optical activity and negative refractive index to asymmetric transmission [J]. Journal of Optics, 2013, 15(2): 023001.

[41] KWON D H, WERNER D H, KILDISHEV A V, et al. Material parameter retrieval procedure for general bi-isotropic metamaterials and its application to optical chiral negative-index metamaterial design [J]. Optics express, 2008, 16(16): 11822-12829.

[42] ZABRODSKY H, AVNIR D. Continuous symmetry measures. 4. chirality [J]. Journal of the American Chemical Society, 1995, 117(1): 462-473.

[43] OSIPOV M, PICKUP B, FEHERVARI M, et al. Chirality measure and chiral order parameter for a two-dimensional system [J]. Molecular Physics, 1998, 94(2): 283-287.

[44] DREZET A, GENET C, LALUET J Y, et al. Optical chirality without optical activity: How surface plasmons give a twist to light [J]. Optics express, 2008, 16(17): 12559-12570.

[45] SINGH R, PLUM E, MENZEL C, et al. Terahertz metamaterial with asymmetric transmission [J]. Physical Review B, 2009, 80(15): 153104.

[46] HUANG Y, YAO Z, WANG Q, et al. Coupling tai chi chiral metamaterials with strong optical activity in terahertz region [J]. Plasmonics, 2015, 10(4)：1-7.

[47] HE M, HAN J, TIAN Z, et al. Negative refractive index in chiral spiral metamaterials at terahertz frequencies [J]. Optik, 2011, 122(18): 1676-1679.

[48] WILLIAMS R. Optical rotatory effect in the nematic liquid phase of p-azoxyanisole [J]. Physical Review Letters, 1968, 21(6): 342.

[49] PLUM E, FEDOTOV V A, ZHELUDEV N I. Optical activity in extrinsically chiral metamaterial [J]. Applied Physics Letters, 2008, 93(19): 191911.

[50] LI Z, ALICI K B, COLAK E, et al. Complementary chiral metamaterials with giant optical activity and negative refractive index [J]. Applied Physics Letters, 2011, 98(16): 161907.

[51] LI Z, ZHAO R, KOSCHNY T, et al. Chiral metamaterials with negative refractive index based on four "u" split ring resonators [J]. Applied Physics Letters, 2010, 97(8): 081901.

[52] HENDRY E, CARPY T, JOHNSTON J, et al. Ultrasensitive detection and characterization of biomolecules using superchiral fields [J]. Nature nanotechnology, 2010, 5(11): 783-787.

[53] GANSEL J K, THIEL M, RILL M S, et al. Gold helix photonic metamaterial as broadband circular polarizer [J]. Science, 2009, 325(5947): 1513-1515.

[54] YE Y, HE S. 90° polarization rotator using a bilayered chiral metamaterial with giant optical activity [J]. Applied Physics Letters, 2010, 96(20): 203501.

(编辑李静，曹大刚)

作者简介

徐新龙，2006年于中国科学院物理研究所取得博士学位，先后在中国科学院国家纳米科学中心、英国牛津大学物理系、新加坡南洋理工大学物理系等单位做研究助理、博士后工作。2011年到中国科学院物理研究所工作，任副研究员；后调入西北大学光子学与光子技术研究所，任教授，博士生导师。

主要从事超快光学，太赫兹物理及器件，超材料及二维材料性质及器件等方面的研究与教学工作。先后主持国家自然科学基金面上项目、军口“863”项目、陕西省科技新星项目等6项。2011年入选陕西省青年百人计划，2012年获得陕西省科技新星荣誉称号。在《NanoLetters》，《ACSNano》，《PhysicsReviewB》，《AppliedPhysicsLetters》等国际国内期刊发表SCI论文50余篇。关于柔性超材料的研究工作被Nature Asia Materials等作为研究亮点报道。

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

国家自然科学基金资助项目(11374240);国家教育部基金资助项目(2013101110007);陕西省教育部重点实验室科学研究计划基金资助项目(13JS101);国家重点基础研究基金资助项目(2014CB339800)

徐新龙，男，江苏南通人，西北大学教授，从事光电子学研究。

O441.6

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