我国科学家在一个微小得只有几十亿分之一米的空间尺度上，揭开了手性超表面调控光场的秘密。在光和材料结合的领域，怎么精准又高效地让光的偏振方向按我们的心意变，是打造下一代光子芯片和量子信息技术的关键。最近几年，大家都在研究那种能扭转光偏振的“手性超表面”。这种微结构像螺旋一样排列，能很巧妙地操控光线。但问题是，以前的观测工具要么看不清楚纳米级别的细节，要么速度太慢跟不上飞秒（也就是千万亿分之一秒）级别的变化，把这个过程给藏进了“黑箱”。这次，我国科学家把这个难题解决了。南开大学的付学文、任梦昕、许京军教授团队和北京大学的刘运全教授团队联手攻关。他们用自己研发的超快电子显微镜，把光致近场成像技术和远场测量结合起来，对一个设计成“Γ”形的金属手性超表面进行了详细观察。 这个研究成果登上了国际权威期刊《光：科学与应用》。团队把注意力放在了光如何变成圆偏振这一基础过程上。在飞秒激光的激发下，他们用这台显微镜捕捉到了“Γ”形单元里的光场细节。实验结果让人意外，水平照过来的光产生的近场不仅像预想的那样对称，还多出了一个以前测不到的垂直分量。更神奇的是，这个分量的形状和强弱会随着波长变化而有规律地改变。为了量化这种不对称性，团队提出了一个叫“近场椭偏率”的新概念。计算表明，微观层面上这个椭偏率的变化和宏观观测到的角度变化非常一致。 为了弄清楚这种不对称性从哪里来，团队做了电磁场模拟。发现730到830纳米的光打到“Γ”形右上角时，会激发出一个越来越强的电偶极子。这个“角电偶极”跟主体结构一起作用，形成了一个不对称的电四极子模式。正是这个角落里的微弱效应随着波长的变化贡献了主要力量，解释了超表面为什么能改变光的偏振。 研究没停留在静止的结构上。通过时间分辨技术，他们还看到了光产生后的快速消散过程。数据显示，不对称分量比对称分量消失得快25到150飞秒。这说明手性超表面里有一条独特的能量流失通道。 这次研究把电子显微镜的厉害本领用在了手性光子学上，从看个大概变成了看清过程。它不仅解释清楚了这种超表面工作的原理，还为以后研究光和物质的极端互动提供了新方法和新工具。这表明中国在这方面的研究已经走在了世界前列，为以后的科学突破和技术进步打下了基础。