利用范德华材料超表面实现手性非线性极化激元

本文报道了一项面向大众读者也能轻松理解的前沿光学研究：科学家们成功制造出一种新型纳米材料结构——基于范德华层状半导体二硫化钨（WS2）的手性超构表面。这种结构打破了上下对称性，能在可见光波段高效产生并维持‘手性光场’（即只与特定旋转方向的圆偏振光强烈作用）。传统镜面光学腔无法实现这一功能，因为光在镜面反射时会发生相位翻转，破坏手性；而本研究用单层一体化的WS2微纳结构替代了复杂腔体，既紧凑又高效。

研究团队通过精密纳米加工，制备出具有微小高度差和倾斜角度的‘纳米棒单元’阵列。这种设计使结构支持一种特殊共振模式（准束缚态连续谱，qBIC），其对左旋圆偏振光响应极强，对右旋光几乎无响应——实验测得其手性接近理论极限。更关键的是，只需简单调节入射光角度（无需加热、加电或化学处理），就能在50纳米波长范围内连续调谐该共振，且全程不损失手性性能。这解决了传统光学腔调谐困难、不可逆、需特殊响应材料等长期难题。

进一步，研究人员将这种手性光场与WS2材料自身的激子（电子-空穴束缚态）紧密结合，首次在实验中清晰观测到‘手性激子-极化激元’的强耦合现象：光与物质不再是独立存在，而是混合成新粒子，表现出独特的能量分裂（反交叉行为）和108毫电子伏特的拉比分裂，严格满足强耦合判据。尤为突破的是，他们在非线性光学实验中，利用红外激光泵浦，首次观测到与手性极化激元直接关联的三倍频发光——即使输入是线偏振光，输出的三倍频光也呈现明确的左旋圆偏振特性。这表明该结构能将普通激光‘编程’为手性光，为芯片级手性光源、超快自旋分辨光源、可重构非线性光学器件等应用铺平道路。整个平台基于可大面积制备的范德华材料，具备良好的可扩展性和集成潜力。