付学文教授、任梦昕教授、许京军教授带着南开大学的团队，还有北京大学的刘运全教授一块合作，把一直以来搞不清楚的手性超表面内部光场调控的微观机理给捅破了。原来光是想精确控制光子芯片的偏振状态，让量子信息还有生物传感变灵敏，就没这么容易，大家都知道这是个大难题。这几年呢，各国科学家都喜欢弄一种叫手性超表面的东西，它其实就是一组带有特殊螺旋形状的小格子，能把光的偏振态给变了，挺火的。不过呢，以前的光学手段因为有衍射极限和时间分辨率这两个坎儿，压根儿看不到单个小格子里那纳米级别的光场分布，更别说捕捉那种快得跟飞秒似的变化过程了。这下好了，我们自己的人把这个瓶颈给打破了。 他们利用自己研发的那种超快透射电子显微镜，把光致近场超快电子显微成像技术和远场光学测量结合起来，专门挑了一种设计好的“Γ”形金属超表面来仔细看。研究结果被发到了《光：科学与应用》杂志上。这组科学家盯着它把线偏振光变成椭圆偏振光这个过程不放。他们用超快显微镜在飞秒激光的激发下，在680到830纳米这段波段里，对着“Γ”形结构拍了一组非常精准的纳米级别的近场照片。这回他们头一回清清楚楚地看到，水平偏振光打过去后，不光有预期的水平对称分布，居然还冒出了以前完全看不到的、很明显的垂直方向不对称分量。 而且更神奇的是，这种不对称分量的样子和强弱还会随着激光波长变来变去。为了把这个细节给测准了，团队还特地弄出了“近场椭偏率”这么个新的物理概念来描述它。分析下来发现，这个微观上的椭偏率变化规律和用肉眼看到的宏观椭偏角变化趋势简直一模一样，这就在微观和宏观观测之间搭起了一座定量的桥。这也直接证明了宏观上的手性响应其实是靠着纳米尺度下那个不对称的光场分布来实现的。 为了弄清楚这事儿到底咋回事儿，他们又用电磁场理论模拟做了仔细的计算。发现当波长在730到830纳米的时候，“Γ”形结构的右上角会慢慢冒出一个越来越强的局域电偶极矩。这个“角电偶极”和结构主体凑在一块儿搞出了一个不对称的电四极子模式。正是这个角落效应随波长的变化贡献最大，主导了非对称分量和椭偏率的增强，把这玩意儿能产生偏振转换能力的机制给说透了。 研究也不光是死盯着静态的样子看。他们还用上了时间分辨的超快成像技术，把光场产生后咋消散的过程也给拍下来了。数据显示，那个不对称分量衰变得比对称分量要快25到150飞秒。这说明手性超表面在操控光的时候有一套独特的能量消耗方式，这为我们理解超快光物理过程提供了关键的动力学证据。 这项研究把超快电子显微技术的劲儿全使出来了，让我们从“看见”结构变成了“看清”过程，也从看宏观现象变成了找出微观根源。它不光讲清楚了一种典型超表面工作的核心物理原理，还弄出了“近场椭偏率”分析方法和这套能分辨纳米-飞秒时空的技术体系。这给以后在极小尺度下研究光跟物质怎么互动、设计好的微纳光子器件提供了新办法和强有力的工具。这就意味着咱们国家在超快微观光学表征这块儿已经走到了国际前列的队伍里了，为以后的基础科学创新和光电子技术突破打下了坚实的底子。