我所常胜江、范飞教授课题组在太赫兹磁光摩尔手性调控器件方面取得进展

研究背景

手性是自然界中广泛存在的一种基本特性，指结构的镜像不能通过平移和旋转操作与自身重叠。不仅许多生命的大分子具有手性，如蛋白质、DNA等，而且许多医学药物、添加药剂和农用化学药品等试剂的功能也受到其手性的影响。因此，手性光学在自旋解耦、偏振转换、全息成像、生物分子检测等领域具有重要的应用价值。但与紫外-可见-近红外波段不同，对于太赫兹（THz，1 THz = 10¹² Hz）波，由于其波长远长于一般手性分子结构，因此很少有天然材料具有足够的手性响应和动态手性操作范围需求，并且仅靠手性超构表面提供的手性也有强度弱和不易调控的缺点，这严重限制了THz手性光学技术的发展和应用。因此，提出新的主动手性调控机制并设计多功能手性调控器件对THz手性光学领域的发展具有重要意义，也有望极大地推动6G感知-检测-通信一体化发展。

针对目前THz手性调控器件的难点，南开大学现代光学研究所范飞、常胜江教授课题组与电子科技大学文岐业教授合作，结合磁光材料La:YIG和扭转超光栅，构筑磁Moiré光栅结构，在中科院一区顶尖期刊Advanced Functional Materials（IF：19）上报道了具有手性操控增强和非互易自旋隔离的THz莫尔光栅，一定程度上推动了THz波段在多偏振复用、手性光学传感和生物/化学分子检测等领域的应用。

成果介绍

具有手性操控增强和非互易自旋隔离的太赫兹磁莫尔光栅

目前THz手性主要由具有固有手性的超构单元产生，如螺旋状3D结构、面内不对称图案和多层超构表面。其中，由两个金属或介质阵列以一定角度堆叠而成的摩尔超表面可以提供与夹角相关的摩尔手性。然而，在太赫兹波段，摩尔结构的不可调性和互易传输特性限制了其在光通信系统中的广泛应用。并且，单靠摩尔超表面提供的摩尔手性远远无法满足手性传感等领域对结构手性强度和调控范围的需求。

为实现手性的可调控和非互易传输，磁光材料的引入是必要的。磁光材料在施加磁场下也能提供非互易的光学手性响应，如圆二色性和法拉第旋光效应。然而，大部分磁光材料都受限于高插入损耗、低效率和苛刻应用条件，仅仅依靠磁光材料本身的特性还不能满足强磁光手性和多功能性的要求。因此将磁光材料与人工微结构相结合，有望在THz波段提出新型的磁光手性机制。

本工作提出了一种磁摩尔光栅，将磁光材料YIG晶体插到两个存在一定夹角的二维亚波长光栅中间，其中YIG晶体具有较低插入损耗、较高法拉第旋转效应和磁可调谐性等优秀性能。利用YIG晶体的磁光手性与双层亚波长光栅提供的摩尔手性之间的耦合，同时打破器件的空间镜像对称性、时间反转对称性和自旋共轭对称性。这种多重对称性破缺不仅可以有效实现手性的构筑和手性的增强，而且可以为THz自旋态的独立操控和主动调制提供更多的自由度。最终实验测得CD的调制范围为39～-37.5 dB，相应的OA调制范围为30°～-35°。 更重要的是，这种磁摩尔光栅结构还实现了THz自旋态的非互易传输，自旋态隔离度可以达到32.6 dB。

该研究成果以“Terahertz Magnetic Moiré Grating for Enhanced Chirality Manipulation and Nonreciprocal Spin Isolation”为题在线发表在Advanced Functional Materials上。南开大学现代光学研究所常胜江教授和范飞教授指导的博士生赵旦为第一作者，南开大学范飞教授和电子科技大学文岐业教授为共同通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202404881

图太赫兹磁摩尔光栅结构的THz波传输示意图；摩尔晶格示意图；在不同磁场和扭转

角下，实验测得的圆二色性(CD)、光学活性(OA) 和隔离度(Isolation)。