近年來(lái)，鈮酸鋰單晶薄膜制備技術(shù)的突破極大地推動(dòng)了鈮酸鋰晶體在光學(xué)超表面等微納光學(xué)器件中的重要應(yīng)用。但是，鈮酸鋰晶體的高硬度和化學(xué)性質(zhì)不活潑等特性給微納加工帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)；另外，常規(guī)的光學(xué)超表面制備材料多局限于各向同性材料，而各向異性鈮酸鋰晶體的雙折射特性尚未在光學(xué)超表面領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)性探索。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心微加工實(shí)驗(yàn)室李俊杰團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期聚焦于微納光子學(xué)器件加工、設(shè)計(jì)及功能集成方面的研究；近幾年，該團(tuán)隊(duì)對(duì)鈮酸鋰納米光學(xué)展開(kāi)了系統(tǒng)的研究，取得了一系列重要進(jìn)展。首先，該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了多組分氣體協(xié)同刻蝕技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鈮酸鋰納米結(jié)構(gòu)的可控加工 （圖a，Advanced Materials Technology 2024, 9, 2400318）。 基于該刻蝕技術(shù)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并加工出基于鈮酸鋰納米孔結(jié)構(gòu)的非線性超透鏡，實(shí)現(xiàn)了將近紅外光束頻率上轉(zhuǎn)換到紫外波段同時(shí)聚焦的功能（圖b，ACS Photonics 2025，doi.org/10.1021/acsphotonics.4c02259）。最近，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了鈮酸鋰雙折射導(dǎo)致的新現(xiàn)象，即由非手性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生手性光學(xué)響應(yīng)。

團(tuán)隊(duì)建立了包含材料雙折射響應(yīng)的雙模共振耦合波模型，并由此構(gòu)造了空間結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出非手性特征的鈮酸鋰納米結(jié)構(gòu)（圖c）。理論分析表明，當(dāng)鈮酸鋰晶體的光軸旋轉(zhuǎn)到特定的角度時(shí)，雙折射導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的鏡面對(duì)稱性破缺，兩個(gè)近簡(jiǎn)并的共振態(tài)產(chǎn)生強(qiáng)耦合效應(yīng)，其雜化共振模式表現(xiàn)出巨大的手性，產(chǎn)生接近1的圓二色信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)上，團(tuán)隊(duì)采用自研的多組分氣體協(xié)同刻蝕技術(shù)，成功加工出所設(shè)計(jì)的鈮酸鋰納米結(jié)構(gòu)（圖d），具備優(yōu)異的表面形貌光滑度和側(cè)壁陡直度。光譜測(cè)試結(jié)構(gòu)證實(shí)了理論預(yù)測(cè)的核心結(jié)果，測(cè)得的圓二色信號(hào)達(dá)到0.53。 鈮酸鋰的晶體結(jié)構(gòu)和所設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)均是非手性的，兩者結(jié)合能夠產(chǎn)生手性的光學(xué)響應(yīng)，這一全新的現(xiàn)象將會(huì)啟發(fā)新鈮酸鋰光學(xué)器件的設(shè)計(jì)，在微納光學(xué)領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義。

圖 a.鈮酸鋰納米結(jié)構(gòu)加工工藝；b.非線性超透鏡；c，d.鈮酸鋰手性超表面理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究成果以“Chiral Resonant Modes Induced by Intrinsic Birefringence in Lithium Niobate Metasurfaces” 為題發(fā)表在近期的 Physical Review Letters 2025, 134, 113802上，并入選了本期的Feature in Physics（物理亮點(diǎn)）；美國(guó)物理學(xué)會(huì)《物理》雜志亮點(diǎn)欄目以“Birefringent Nanocubes Give Light a Circular Boost”為題撰寫了專題報(bào)道。該論文的第一作者為微加工實(shí)驗(yàn)室的王博副研究員，通訊作者為李俊杰研究員和潘如豪副研究員，朱庭躍聯(lián)培碩士生、劉宇男碩士生和楊海方研究員參與了該工作。該工作受到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院和懷柔綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.113802