撰稿 | 课题组供稿
研究背景
连续谱中的束缚态（BIC）因其在光束缚方面的优异性能，可以增强光与物质的相互作用，已经引起研究者的广泛兴趣。BIC在理论上可以完全消除辐射损耗实现无穷大的品质因子Q。然而，实际结构中存在不可避免的制备缺陷，会通过散射将BIC与近邻的辐射模式耦合，从而降低Q。为了抑制散射损耗，需要提高近邻模式的光束缚性。利用BIC的拓扑性质，将多个BIC调节到相同位置，形成merging BIC，从而显著增强近邻模式的Q，能够提高BIC对结构缺陷散射的鲁棒性 [Nature 574, 501–504 (2019)]。
对于光子晶体平板，远场辐射的偏振场在动量空间中围绕BIC形成偏振涡旋场。BIC位于拓扑奇异点，其偏振方向无法定义，因此不存在辐射损耗。偏振沿逆时针方向的绕数定义了BIC的拓扑荷，并遵循拓扑荷守恒。通过改变结构参数，可以在动量空间中调节BIC的位置。
然而，目前merging BIC的构造仅涉及了对低阶拓扑荷的调控。一方面，高阶拓扑荷可以看成由多个低阶拓扑荷构成，其在提高BIC对结构缺陷散射的鲁棒性方面更具优势。另一方面，通过降低结构对称性，具有高阶拓扑荷的BIC可以分裂成多个低阶拓扑荷的BIC，可以与其他物理机制形成的BIC构造新的merging BIC。
有鉴于此，武汉大学的肖孟教授，徐红星院士团队以及香港科技大学的陈子亭教授合作提出操纵高阶拓扑实现合并BIC的新型物理机制。该工作以题为“Merging Bound States in the Continuum by Harnessing Higher-order Topological Charges”发表在《Light: Science & Applications》，第一作者为武汉大学康猛博士，通讯作者为肖孟教授和陈子亭教授。
研究创新
在三角晶格的光子晶体平板中，高对称的Γ点存在对称性保护的BIC。对于最低价的TE能带，Γ点处BIC的拓扑荷为-2。当平板的厚度合适时，非Γ点出现多个辐射偶然相干相消形成的accidental BIC，拓扑荷为±1。通过改变平板的厚度，多个accidental BIC可以被同时调节到Γ点，与高阶拓扑荷的BIC形成merging BIC。与单独的BIC相比，近邻模式的Q得到了显著提高。此时，Q以Q∝(k-kBIC)-8几何衰减远离merging BIC，而低阶拓扑荷构成的最优merging BIC仅为Q∝(k-kBIC)-6。高阶拓扑荷参与的merging BIC可以进一步提高近邻模式的光束缚性，降低结构缺陷造成的散射损耗。
图1 （a）光子晶体平板结构示意图；（b）能带结构；（c）BIC的拓扑荷调控以及Q分布
通过将圆柱状孔洞替换为椭圆柱状，结构的对称性被降低，Γ点不再允许高阶拓扑荷的存在。由于拓扑荷守恒，高阶拓扑荷的BIC分裂为两个非Γ点的BIC。通过改变结构参数，可以在动量空间中调控这两个分裂的BIC。它们可以被同时调控到Γ点形成merging BIC，也可以与accidental BIC调节到相同位置，并在非Γ点形成merging BIC。
图2 （a）光子晶体平板结构示意图；（b）能带结构；（c）高阶拓扑荷BIC的分裂与合并；（d）非Γ点处merging BIC的形成
通过旋转椭圆柱状孔洞，可以进一步破坏镜面对称性，调控BIC在动量空间中的位置。选择合适的偏转角度以及平板厚度，可以实现对merging BIC动量的任意调控，对于改善方向相关的应用性能具有重要的意义。
图3 （a）光子晶体平板原胞示意图；（b）BIC的拓扑荷调控以及Q分布；（c，d）merging BIC在动量空间中的调控
总结与展望
这项工作利用BIC的拓扑性质提出了一种构造merging BIC的新型物理机制。一方面，高阶拓扑BIC可以进一步提高merging BIC对结构缺陷散射损耗的鲁棒性。另一方面，通过降低结构对称性，高阶拓扑荷BIC可以分裂为多个BIC，通过改变结构参数，能够与其他物理机制形成的BIC构造动量空间可调控的merging BIC。Merging BIC有助于实现超高Q的光学腔，在增强非线性效应、量子效应以及改善光电器件性能方面具有极好的应用优势。
论文信息：
该研究成果以"Merging bound states in the continuum by harnessing higher-order topological charges"为题在线发表在Light: Science & Applications。
该研究得到了国家自然科学基金委员会、国家重点研发计划、“万人计划”青年拔尖人才、武汉大学启动基金、香港研究资助局以及裘槎基金会的支持。
Kang M., Mao L., Zhang SP., et al. Merging bound states in the continuum by harnessing higher-order topological charges. Light Sci Appl 11, 228 (2022).
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41377-022-00923-4
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