近日，南开大学付学文教授、任梦昕教授和许京军教授团队与北京大学刘运全教授团队合作，结合超快透射电子显微镜中的光致近场超快电子显微成像（PINEM）与远场椭偏测量，首次从飞秒与纳米时空尺度揭示了“Γ”形手性金属超表面将线偏振光转换为椭圆偏振光的微观物理机制。相关成果以“Deciphering light transformation in chiral metasurface in real space and time by ultrafast electron microscopy”（基于超快电子显微镜从纳米-飞秒尺度解析手性超表面光变换过程）为题发表于国际知名期刊Light: Science & Applications

手性微纳结构在与光场相互作用时，会产生显著的手性光学响应，如圆二色性，这为手性传感、量子光学和新型偏振光学器件等前沿领域奠定了基础。近年来，通过精密设计的手性超表面，能在亚波长尺度实现对光偏振态的高效调控。然而，传统的光学表征技术（如远场光谱测量）仅能获取空间平均的宏观信号，无法揭示单个结构单元内部光场在纳米尺度的空间分布和在飞秒尺度的动态演化过程，严重制约了对手性光场产生与调控微观机制的深入理解。　

针对上述挑战，研究团队创新提出了“近场椭偏率”的概念，建立了近场分布与远场光学响应之间的定量关联，并阐明了由几何结构主导的手性光场形成与超快耗散机制。实验结果表明，在水平偏振光激发下，“Γ”形结构在680–830 nm波段产生具有显著垂直非对称分量的近场分布，其空间特征随波长规律变化。量化的近场椭偏率与远场椭偏率变化趋势高度一致，验证了近场–远场光学响应的内在联系。电磁仿真进一步揭示，在730–830 nm波段右上角局域电偶极增强并与主体结构耦合形成不对称电四极子模式，其贡献随波长增大而显著增强，直接导致了近场不对称性及其椭偏率的提升。时间分辨近场PINEM成像显示，非对称近场的衰减时间较对称近场快25–150fs，表明手性超表面在光场调控中存在独特的能量耗散通道。

该研究通过超快透射电子显微镜技术成功实现了对手性超表面中光场转化过程的时空解析，从纳米和飞秒尺度揭示了其微观机制。该工作不仅为理解光与手性物质相互作用提供了新的实验视角和关键证据，也展示了超快透射电子显微镜在微纳光子学领域的独特应用潜力。研究成果深化了对几何手性、近场分布与远场响应之间关联的认识，对未来设计高性能、可调控的手性光子学器件具有重要指导意义。

图1：近场椭偏率与远场椭偏角的定量关联

图2：手性依赖的近场超快耗散过程

南开大学博士生童玲、博士后谢飞为论文共同第一作者，前沿交叉学科研究院新物质创造学科群付学文、任梦昕、许京军教授团队与北京大学刘运全教授为共同通讯作者，前沿交叉学科研究院为通讯单位。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、南开大学中央高校基础研究经费等的支持。

  文章链接：https://www.nature.com/articles/s41377-025-02163-8