导读

纳米尺度光学手性的精准调控，为光场自由度操控、超灵敏对映体检测、结构光照明显微成像以及量子通信等领域开辟了全新路径。然而，传统手性光学表征手段存在固有局限：既无法探测空间与角度非均匀分布的手性响应，也难以解耦体系中共存的线性与圆各向异性，严重制约了下一代手性纳米器件的理性设计与性能优化。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院研究团队提出傅里叶域穆勒矩阵偏振测量框架，通过在动量空间全域映射散射光偏振态，可直接捕获手性等离子体伽马德昂纳米阵列中编码的电磁模式与衍射特征。该动量分辨穆勒矩阵可同时定量解析圆双折射（CB）与圆二衰减（CDA），并将其与线性各向异性精准解耦，从而实现纳米结构本征手性光学行为的完整表征。研究进一步证实，纳米结构厚度可系统调控手性响应，且该方法可实现微弱手性信号的高灵敏探测。基于此，团队将该技术用于分子对映体识别，构建了高灵敏手性传感平台，为先进手性传感与纳米光子应用提供了全新技术路线。

该研究成果发表于国际顶级期刊《Light: Science & Applications》，Jeeban Kumar Nayak为第一作者，Olivier J. F. Martin为通讯作者。

研究背景

手性介质可与左旋、右旋圆偏振光产生差异化相互作用，分别表现为圆双折射（CB）与圆二色性（CD），是实现分子对映体识别的核心物理依据。在生物分子与药物分子体系中，手性直接决定其生理活性与毒性效应，因此实现对映体的精准、无标记、高灵敏识别具有重要的科学意义与应用价值。

天然手性介质的手性光学信号通常极其微弱，难以被常规手段有效探测；而人工手性纳米结构可借助等离激元共振、高阶电磁多极子激发及局域电磁场增强效应，实现手性光学响应的显著放大，成为高灵敏手性传感的理想载体。然而，传统圆二色光谱仅能获取波长依赖的整体平均信号，无法解析手性响应的角度分布与空间分布特征；同时，体系中并存的线性各向异性与圆各向异性在常规测量中相互纠缠，导致难以准确提取材料的本征手性响应。

傅里叶域成像可捕获方向依赖的偏振辐射分布，为突破上述瓶颈提供了可能，但现有动量空间成像方法仅能探测部分斯托克斯参数，无法完整表征偏振转换、退极化行为，更难以实现线性–圆各向异性的有效解耦。因此，发展可全面表征偏振相关光–物质相互作用的先进表征技术，已成为手性纳米光子学领域亟待解决的关键科学问题。

创新研究

研究团队首先搭建了暗场傅里叶动量空间偏振测量系统，将暗场照明、傅里叶成像与斯托克斯–穆勒矩阵偏振测量深度融合，系统研究金基γ 形（伽马德昂）等离激元手性纳米阵列的光学响应。通过系统调控入射与探测偏振态，研究团队完整获取了不同空间频率下的散射光偏振分布，得到包含全部偏振信息的动量空间成像结果。实验表明，在左旋与右旋圆偏振光激发下，斯托克斯参数S?（偏振旋转相关）与S?（螺旋度）呈现显著的角向不对称分布；由斯托克斯参数重构的偏振椭圆取向随入射光手性反转而翻转，且散射光全程保持高偏振度，证实所测信号来自明确的单次散射通道，而非多重散射或串扰干扰。

图1：暗场照明与动量空间偏振分布表征。

在此基础上，团队首次在γ形纳米阵列上实验测得动量空间4×4全穆勒矩阵，成功解耦线性各向异性与圆各向异性。其中M??/M??对应圆二衰减（CDA），M??/M??对应圆双折射（CB），呈现出手性介质标志性的反对称特征。该方法能够同时、独立地提取CB与CDA，彻底解决传统表征技术中信号相互干扰的难题。

图2：动量空间穆勒矩阵测量结果。

研究系统揭示了结构厚度对纳米手性的调控规律，分别测试50nm、100nm、150nm三种厚度的γ形结构。结果表明，CDA与CB信号强度随厚度增加而显著增强；即使是50nm超薄结构的极微弱手性信号，也可被该方法清晰分辨，其灵敏度远超传统光谱测量。机制分析表明，圆双折射（CB）由多极矩实部主导，在动量空间分布均匀；圆二衰减（CDA）由多极子干涉主导，集中于傅里叶平面中心，直接揭示了高阶电磁模式对手性光学响应的贡献。

图3：不同厚度样品的动量空间CDA与CB分布。

最后，研究团队将该方法应用于结构对映体判别与分子手性传感。结果表明，左旋与右旋γ形手性纳米结构的圆二衰减（CDA）与圆双折射（CB）信号呈现符号相反、互为镜像的典型对映体特征；在纳米阵列表面分别修饰L-半胱氨酸与D-半胱氨酸后，通过检测CDA变化量（?CDA）即可直接区分分子手性，且响应信号随分子浓度升高而显著增强。对照实验证实，上述信号差异仅源于手性分子的特异性相互作用，而非非手性分子吸附或体相折射率变化所致。

图4：对映体识别与分子手性传感。

总结与展望

本研究提出傅里叶域穆勒矩阵偏振测量新方法，实现了手性纳米结构手性光学响应的全面、定量、角分辨表征，突破了传统表征技术无法解耦线性–圆各向异性、缺失空间与角度分布信息的核心瓶颈。

该方法可同步提取圆双折射（CB）与圆二衰减（CDA），清晰揭示高阶电磁多极子共振与阵列衍射效应对纳米尺度手性的协同调控机制，具备超高检测灵敏度，可精准识别超薄结构中的微弱手性信号，并成功实现分子对映体的无标记、高特异性识别。

展望未来，动量空间偏振表征技术可进一步拓展至各类手性超材料、量子结构与生物分子体系，有力推动超灵敏手性传感、无标记药物对映体检测、手性全息加密、手性光源及量子光学等前沿方向发展。结合微纳加工与片上集成光学系统，该技术有望开发出便携式、高通量手性表征芯片，为生命科学、医药研发与信息安全等领域提供革命性的表征与探测工具。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02336-z