单向手性散射：基于等离子体纳米螺旋体的手性光控新机制

研究人员针对纳米尺度手性光操控的挑战，提出"旋转手性偶极子"新概念，通过设计等离子体纳米螺旋体（nanohelicoids）的多极激发，实现了圆偏振光的对映体敏感单向散射。该研究为手性光-物质相互作用提供了创新设计思路，在量子通信、生物传感等领域具有重要应用价值。

　　

在纳米光子学领域，控制手性光的散射和路由是实现光学信息处理、量子技术和生物检测的关键挑战。传统手性光学效应如圆二色性（CD）和旋光性主要依赖材料的体相特性，而纳米结构的手性响应往往较弱且难以实现定向调控。特别是如何实现纳米尺度下对圆偏振光（CPL）的高效、定向散射，同时保持对分子手性的敏感识别，一直是研究者们亟待解决的难题。

伦敦国王学院（King's College London）的研究团队在《Nature Communications》发表创新研究，通过理论提出"旋转手性偶极子"新概念，并利用金纳米螺旋体（nanohelicoids）实验验证了单向手性散射现象。研究发现当入射光的手性与纳米螺旋体构型匹配时，会产生显著增强的前向散射，散射光保持原始偏振态。这种效应源于电偶极子（|p>）和磁偶极子（|m>）的相位调控，形成具有特定旋转方向的|σ^±>手性偶极子，其辐射方向遵循"手性定则"：右手性偶极子沿自旋方向辐射，左手性偶极子则相反。

研究采用三项关键技术：1）氨基酸引导法合成尺寸均一的L/D型金纳米螺旋体（180 nm）；2）有限元法（FEM）模拟多极分解和远场散射；3）傅里叶平面成像技术测量单颗粒角分辨散射，通过斯托克斯参数（S₃/S₀）分析偏振态。

旋转手性偶极子概念

理论提出|σ^±>手性偶极子可表示为共线电/磁偶极子的特定组合：|σ⁺>=|m>+i|p>（右旋，RCP）和|σ^->=|m>-i|p>（左旋，LCP）。两个垂直的手性偶极子通过±π/2相位差耦合形成旋转手性偶极子|σ_z^±±>，其辐射具有单向性。数值模拟显示，纳米螺旋体在620 nm磁偶极共振波长处，电偶极子p_x与磁偶极子m_y的相位差为-π/2，满足|σ^->偶极子的激发条件。

等离子体纳米螺旋体的手性响应

实验采用L-谷胱甘肽合成的纳米螺旋体在SiO₂基质中表现出强手性响应。多极分解证实其主要激发电偶极子p_x和磁偶极子m_y，且|σ_x^->|≈|σ_y^->|>|σ_x⁺|≈|σ_y⁺|。当入射LCP光与纳米螺旋体手性匹配时，前向散射强度比RCP光增强约50%，散射g因子（g_scat）在620 nm达到峰值。

实验验证

单颗粒散射测量显示，610 nm LCP光照射时，前向散射光保持LCP特性（S₃/S₀≈-1），强度比RCP光高15%。虽然实验值低于理论预测，但仍清晰证实了手性相关的单向散射效应。

该研究建立了旋转手性偶极子与光散射方向性的普适关联规则，为手性纳米天线设计提供了新范式。其意义在于：1）实现纳米尺度下光手性的定向操控；2）为对映体选择性光学捕获（enantio-sensitive optical forces）和生物检测提供新方法；3）拓展了手性量子光学（chiral quantum optics）的研究维度。未来通过优化纳米结构几何参数，有望进一步提高手性散射的效率和方向性对比度。