近日，西安理工大学王玥教授团队联合清华大学赵晓光副教授团队及南京大学范克斌副教授团队在国际著名物理学期刊《Applied Physics Reviews》发表了题为“Pushing Q-factor limit of guided resonances by harnessing topologically protected terahertz bound states in the continuum”的研究论文，在全介质太赫兹超表面中测量到高Q准连续域束缚态（Bound states in the continuum，BIC）共振。该工作为基于高Q准BIC太赫兹超器件的研制提供了新的思路和方法，论文被编辑遴选为Featured Article。西安理工大学博士研究生孙广成为论文第一作者，西安理工大学王玥教授、清华大学赵晓光副教授为论文共同通讯作者。南京大学范克斌副教授、清华大学崔子健博士后和谢荣博博士、西安理工大学陈文烁博士和硕士研究生陈向东、李曜合也为该工作的完成做出了重要贡献。
超表面能够在深亚波长尺度上束缚和操控光，进而促进纳米尺度上的光-物质相互作用，极大地提高了空间和时间上调控光的能力。研究早期，基于等离子体共振的金属超表面被广泛用于实现光场增强。然而，由于金属的欧姆损耗引起的非辐射吸收，等离子体共振通常只具有大约几十的品质因子，导致共振的线宽较宽。相比之下，高折射率、低损耗的介质纳米粒子支持一系列米氏共振，并允许这些光学模式之间的耦合和干涉，从而产生具有更高Q因子的模式。最近，BIC这一奇特物理概念引入超表面，为实现超高Q共振提供了全新思路。
BIC因其兼具量子守恒拓扑荷和无限高Q因子两种非凡特性而引起了光子学领域的广泛关注，并被广泛应用于增强光物质相互作用和促进光场调控，导致各种奇异物理现象的出现，在生物传感、激光、光流体输运、结构色、激子-极化子凝聚和纠缠光子产生等众多领域展现出广泛的应用前景。
研究人员首先采用群论、拓扑分析和有限元数值模拟相结合的方法，预测并提出了一种方形晶格全介质十字椭球柱太赫兹超表面，其支持的两个最低频横磁本征模（分别标记为TM1和TM2模式）能够在动量空间中心Γ点激发两个拓扑荷分别为±1的对称保护BIC，并在第二个横磁本征模的高对称ΓX方向上激发4个拓扑荷为+1的偶然BIC，如图1、2所示。研究人员进一步发现，TM1和TM2能带在布里渊区ΓX方向上某些偶然波矢点相互抗交叉，使得TM1能带呈M型，而TM2能带具有W型色散关系，表明这两个能带之间存在强耦合作用，这为在对称性打破的太赫兹超表面动量空间中Γ点上实现非对称保护的BIC提供了重要的先决条件。
图1 (a)玻璃衬底上的方形晶格太赫兹超表面的示意图。(b)两个最低频TM类模式的三维能带结构。(c) TM1和TM2模式沿-X-Γ-X方向的能带结构。TM1(c)和TM2(d)本征模的Q因子及相应的拟合曲线。
图2 TM1(a)和TM2(b)模式的二维Q因子图；TM1(c)和TM2(d)模式在k空间中的远场偏振态分布。
研究团队通过引入扰动以打破太赫兹超表面的面内反演对称性，使得光谱上不可见的两个理想BIC转变为具有超窄共振线宽的准BIC。在较小的不对称量时，两个BIC模式的Q因子与系统的非对称参量呈平方反比关系，且准BIC的模式场图相比于理想BIC的模式场图表现出相同但略微扰动的不可约表示。然而，在更大的不对称量条件下，TM1和TM2能带的Q因子随着不对称因子α的增大却开始反常增加，不再遵循典型的平方反比法则，在非对称太赫兹超表面的Γ点上出现了直觉上本不该出现的反常BIC态，如图3所示。研究团队通过时域耦合模理论预测结合本征模分析验证了这两个反常BIC分别属于Friedrich-Wintgen BIC和单共振参量BIC。这两个特殊BIC的存在不仅为设计BIC共振提供了额外的自由度，也有助于在具有较大不对称量的超表面中实现高Q准BIC共振，从而降低了器件制备的难度。
图3 (a)对称打破的太赫兹超表面的示意图。(b) TM偏振电磁波照射下的二维透射率彩图。TM1(c)和TM2(d)模式的Q因子随非对称因子α的演化。
为了实验上验证先前讨论的理论发现，研究团队在玻璃衬底上制作了1.2×1.2 cm2的十字椭圆柱晶体硅微米柱周期性阵列。实验测量的透射光谱与数值模拟的结果吻合的很好，测量到两个尖锐的法诺不对称共振峰，最高Q因子可达371，这是带有衬底的全介质太赫兹超表面中所报道的最高值，如图4所示。研究人员进一步深入分析了限制测量更高Q因子的几个主要因素，并对Q值的进一步提升作了展望。
图4 (a-c)三个全介质超表面的扫描电镜图片。(d-f)数值模拟和实验测量结果的对比。
总之，这项研究提出了一种新的器件制备方案，通过设计面内对称性并利用两种BIC模式的耦合效应，在玻璃衬底上的全介质太赫兹超表面中观察到具有尖锐共振峰的高Q双准BIC共振。实验测量的最大Q因子高达371，该参数指标比目前报到的Q值高了大约120，使的大规模制造各类高性能太赫兹光电子器件和超器件成为可能，并有望在非线性变频、生化传感、粒子捕获和太赫兹发射增强等领域具有重要的应用价值。
该研究成果受到国家自然科学基金项目(62275215，62435015，U21A6003，62275118)，陕西省重点研发计划项目(2023GXHH-038)，西安市科技局战略产业链重点核心技术研究项目(23LLRH0057)及陕西省高校青年创新团队(21JP084)的资助。
论文信息：
Guangcheng Sun, Yue Wang, Rongbo Xie, Xiangdong Chen, Yaohe Li, Wenshuo Chen, Kebin Fan, Zijian Cui, Xiaoguang Zhao; Pushing Q-factor limit of guided resonances by harnessing topologically protected terahertz bound states in the continuum. Appl. Phys. Rev. 1 March 2025; 12 (1): 011422.
论文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0254576
