- 选题背景和意义：手性是自然界中广泛存在的基本属性。如果某种物质无法通过旋转或平移与其镜像相互重叠，则称该物质具有手性。手性物质及其镜像称为一组对映体，它们的标量物理性质完全相同。不同构型的手性分子虽然化学结构相同，却往往表现出不同的化学特性。若生物分子的原始手性发生变化，它可能会转变为非活性或产生细胞毒性，从而导致许多疾病的产生。因此，区分不同手性的对映体对于生命科学至关重要。光场同样也具有手性特征。当手性分子与光场发生相互作用时，分子的光学响应表现出明显的光场手性依赖性。作为最常见的一种手性光场，不同旋度的圆偏振光对于手性材料的吸收存在差异，这些光学活性现象被称为圆二色性（Circular dichroism，CD），为生物、化学和物理等诸多领域提供了一种探知物质手性结构及其分子运动和热力学信息的非侵入式光谱技术和高效检测工具。圆二色光谱法能够测量手性分子对左旋圆偏振光（Left circularly polarized light, LCP）和右旋圆偏振光（Right circularly polarized light, RCP）的吸收，是研究生物分子结构的一种重要技术。然而，由于天然分子的手性响应较弱，在CD检测中通常需要较多的样品或较长的光路才能使信号积累到可检测的水平，这极大限制了检测的灵敏度和设备的小型化。为了达到低浓度甚至单分子检测，研究者们提出了许多增强CD信号的方法，例如利用驻波、表面等离子体共振、磁共振和共振纳米腔等。此外，超手性光场的发现为手性检测技术的发展提供了新的思路。光场的手性可以用光学手性密度来衡量，其中E（E）和B（B）表示实（复）电场和磁矢量场，ε0和mu;0分别是自由空间的介电常数和渗透率。自由空间传播的圆偏振光的手性,其中分别对应于RCP和LCP。若光场的手性高于圆偏振光场，则被称为超手性光场。通过对纳米结构进行合理的设计，能够在纳米结构的局域位置产生光学手性密度大于的超手性场。当手性分子位于超手性光场中时，二者之间的相互作用被证实能够进一步增强手性分子的CD信号。然而，纳米结构会引发较强的背景噪声，且手性场分布不均匀，这些问题都会极大限制测量的灵敏度。因此，低损耗且能够产生均匀手性场的纳米结构是获得增强CD信号的必须条件。
- 课题关键问题及难点：
- 如何利用有限元算法模拟手性材料。
- 如何设计微纳结构以获得手性热点。
- 当手性材料放置在微纳结构的手性热点中时，如何正确计算CD信号及CD增强因子。
- 设计能够增强CD信号的微纳结构。
- 文献综述（或调研报告）：
在研究超手性场对圆二色信号增强的作用的过程中， Hendry等考虑利用局域表面等离子（Localized surface plasmon, LSP）共振来产生超手性场。Hendry等发现在平面手性超材料（planar chiral metamaterials, PCMs）的近场中能够产生超手性场，设计了放置在玻璃衬底上的万字型手性金微纳结构，证实了其在提高手性测量灵敏度中的应用。后续工作中，Hendry等指出由于单个LSP偶极子的电场和磁场是相互垂直的，因此无法产生手性场。他提出通过多个LSP偶极子的耦合，使它们的电场与磁场存在平行的分量，从而得到手性场。为此，他们在水溶液中的玻璃衬底上放置了两个金纳米棒，并在玻璃中放置了第三根金纳米棒。在不具有手性的线偏振光激发下，上部两根金纳米棒之间的区域中能够产生超手性场，在795nm的共振峰处获得了12.4倍的光学手性密度增强。根据Barron等对CD的理论分析，CD信号与手性物质对不同旋向入射光的吸收差成正比，显然，CD信号与成正比，因此，超手性场对于增强CD信号具有十分重要的意义。
在通过构建金属结构增强CD信号的过程中，研究者们发现尽管手性分子的吸收差异有所改善，但金属结构的高损耗、强背景吸收等问题会对限制检测灵敏度的提升，因此提出了利用半导体材料来设计纳米结构。由于单个介电纳米粒子不支持能够使光学手性密度整体最优化的共振模式，因此需要能够提供均匀手性场的纳米结构来同时提高手性密度和不对称因子。Kan Yao等提出了一种在非手性硅纳米立方体二聚体之间生成手性热点的新方案。高折射率介电纳米粒子二聚体能够在可见波段的线偏振光（Linearly polarized light, LPL）的激发下增强间隙区域中的电场或磁场。当把激励的LPL改为CPL时，局域电场和磁场将同时得到增强。仿真结果表明，当满足适当的相位条件时，空间上叠加的电热点和磁热点可以产生具有最大光学手性密度的均匀手性热点，体平均手性增强了约15倍。这样的设计无需使用复杂的结构或LSP共振即可产生强而均匀的手性场。
在此基础上，Yao等利用二氧化钛材料发展了非手性介电超表面，用于增强近紫外波段下手性分子的CD。该结构由非晶态二氧化钛纳米立方二聚体阵列组成，在波长大于360nm时是完全无损的。当手性分子被吸附在纳米立方体附近时，这种阵列结构使得单个纳米立方二聚体与相邻二聚体发生相互作用，产生了强且均匀的手性热点，使近紫外波段的CD信号得到了约50倍的增强。这是第一个可以在紫外区域和无损介质中将光学手性提高2个数量级的设计。通过选取不同的介电材料，纳米立方二聚体的共振峰将随之发生移动，使得介电结构有了更强的适用性。
此外，为了抑制金属纳米结构的强背景吸收，Rui等提出了在对称金属-介电-金属（metal-dielectric-metal, MDM）超材料结构中产生超手性光与物质相互作用的方法。由于空间上分离和增强的电场（E-）和磁场（H-）具有互补轮廓的相互作用，当满足适当的相位条件时，在 MDM 结构中能够生成超手性局域热点。通过将手性分子引入间隔层，可以显著增强耦合系统的CD信号。值得注意的是，通过减小顶部周期性材料之间的横向间隙距离，可以进一步提高该局部手性场的手性。随着间隙距离从248nm减小到10nm，体积平均手性密度提高了80倍，从而将CD增强因子提高了近1300倍。这种类型的MDM超材料超吸收体结构对于增强CD光谱、对映选择性传感、分选和光解的新应用的开发具有吸引力，揭示了一种实现具有对称几何形状的实用超手性超材料的策略。
为了更好地分析CD信号的起源，Seojoo Lee等从微观上分析耦合系统内部的近场能量耗散，发现CD信号在宏观测量下有两个不同的起源，即固有CD和诱导CD。固有的CD是由手性分子直接造成的CD，它会因纳米结构附近强烈的局域旋光密度得到增强。在先前研究中被忽略的诱导CD源于在两个手性相反的圆偏振光的激励下，被手性分子包围的纳米结构内部的电磁场不对称激发和吸收。为了定量分析手性分子/纳米结构耦合系统中的CD信号，可将总CD信号分解为诱导CD、以及固有CD，之前得到广泛注意的旋光密度实际上只对有贡献，因此，用于表面增强CD光谱的纳米结构设计不仅应着眼于提高的旋光密度，而且应关注由两个手性相反的圆偏振光引起的局域场之间的不对称性。
- 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：
在所阅读文献的基础上，选择可行的纳米结构，并对其几何结构、材料、入射场、间隙距离等参数进行调整，以获得更可观的CD增强。此外，进一步研究在纳米结构中加入手性分子的情况下对CD信号的作用。
根据光学手性密度，手性分子对不同旋向圆偏振光的吸收可以通过电极化率、磁化率以及手性极化率来表示，，其中，符号表示取复共轭，分别表示左旋与右旋。由此定义的不对称因子描述了分子吸收的手性不对称，从公式可以看出，想要获得高因子，需要大的光学手性密度以及较小的电场强度，这便对入射光场提出了要求。
对手性材料的模拟，可以利用手性材料的本构关系，本构关系表现形式为，其中к表示材料的手性程度，chi;是描述了磁电效应的物理量。修改COMSOL中的波动方程来实现。此外，通过对特定区域的能量耗散进行积分便可计算出吸收，再将不同手性的与相减，得到该区域的CD信号。
- 进度安排：
2019年12月1日至2020年1月14日 查文献、调研、翻译资料
2020年2月24日至3月10日 方案论证、撰写开题报告
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