紧凑结构中等离激元连续谱中的束缚态

撰稿|由课题组供稿

近日，南京航空航天大学伏洋洋教授课题组和苏州大学徐亚东教授课题组、苏州城市学院高雷副校长课题组合作，在等离激元单粒子结构中发现了连续谱中的束缚态（BIC）。这类BIC物理上源于金属微结构中局域表面等离激元（SLSP）的干涉相消，该效应可以出现在多个角动量通道中且完全简并。该类BIC与传统SLSP是一对孪生本征态：SLSP是这对本征态中亮模，而BIC是暗模，如同硬币的正反面一样。该工作将光学BIC研究拓展到亚波长范畴，促进了对等离激元微结构中局域态的深入理解，有望为突破衍射极限以及增强光与物质相互作用提供新途径。研究成果以 “Plasmonic Bound States in the Continuum in Compact Nanostructures” 为题发表在《Advanced Optical Materials》上。苏州大学物理学院博士生周庆佳为论文的第一作者，南京航空航天大学伏洋洋教授、苏州大学徐亚东教授和苏州城市学院高雷教授为通讯作者。

近年来，连续谱中的束缚态（BIC）由于其深刻的物理性质引起了广泛关注。非存在理论[Nat. Rev. Mater. 1, 16048 (2016)]表明，除了被完全不透明材料或零折射率超构材料包围的结构外，BIC通常不存在于单粒子系统中。然而，利用完全不透明材料是无意义的，因为其无法实现内外环境的能量交换，而零折射率超构材料由于窄频响应和材料损耗存在，严重阻碍了基于BIC的相关应用。利用高折射率介电纳米结构，通过谐振腔模式的共振交叉可以获得高Q因子共振模态[Adv. Photon. 1, 016001 (2019)]，是一个实现BIC的有效手段。然而，这些近似正交的腔模无法实现完全干涉相消，因此只能得到有限Q因子的准BIC。目前，在单粒子系统中实现真正的光学BIC仍然是一项具有挑战性的任务，这对于基于BIC的紧凑光学器件设计与开发具有重要价值。

研究团队基于人工局域表面等离激元（SLSP）结构[PRL 108, 223905 (2012)]，通过改变沟槽深度打破近邻槽的对称性，揭示了基于SLSP人工金属结构实现BIC的新思路。图1a为结构示意图，两个不同深度的槽（G₁和G₂）交替排列在金属圆柱表面，其中G₁槽尺寸不变（r₁ = 0.40R），而G₂槽深（r₂）可变化。当TM（磁场沿z方向）平面波入射到2D结构上，通过散射截面的解析计算（图1b）可以看到两个散射峰的反交叉行为。高频模式的线宽较窄（高Q共振），低频模式的线宽较宽（低Q共振）。当r₂ = 0.40R时(结构具有对称性)，高频带线宽消失，散射谱中只能看到SLSP共振。由于BIC的线宽为零，以往的SLSP研究忽略了这类结构中还存在BIC。

图1. 纹理化金属圆柱中的等离激元BIC。(a)结构示意图。(b)二维无限长金属圆柱的散射截面的解析结果。

图2. 多极BIC简并。(a)散射截面。(b) SLSP和准BIC的场增强对比。(c)多个OAM通道BIC且在r₂ = 0.4R处简并。(d)为c中相应的Q因子。

进一步地，模拟结果验证了理论解析的准确性（图2a），且准BIC的比传统的SLSP有着更好的场增强效果（图2b），这在传感器、激光器和非线性光学中具有重要的应用价值。图2c展示了了最低阶三个角动量通道（OAM）的高Q共振模式的本征频率演变情况，在r₂ = 0.40R处三个模式都是BIC（图2d）且完全简并。这种简并行为是由于金属结构的极端各向异性引起的，使得所有通道的BIC的径向共振都坍缩到最低阶模式，但其角向特性依旧保留。

为了揭示SLSP耦合导致BIC产生机制，研究团队将金属结构看成两个独立的结构：一个是配有不变G₁槽的金属圆柱，另一个则是配有可变G₂槽的金属圆柱。在每一个OAM通道中（以0阶OAM通道为例），这两种金属结构各自支持一个独立的SLSP共振模式。随着两类沟槽深度逐渐接近，这两个SLSP模式会发生反交叉耦合（图3a）。当金属结构完全对称时（r₁ = r₂）,两个SLSP反相位耦合实现干涉相消，导致BIC的产生（图3b中的模式B₂）；两个SLSP同相位耦合则对应于传统SLSP共振态（图3b中的模式A₂）。该BIC与传统SLSP可以视为一对孪生本征态：SLSP是这对本征态中亮模，具有辐射特性；而BIC是暗模，因此消失在散射谱中。

此外，文章还详细讨论了一系列有限长度的金属圆柱，由于三维结构中也支持SLSP， BIC也存在于三维金属单粒子结构中（图4）。

图3. BIC产生的物理机制。(a) 0阶OAM通道中的两个SLSP模式耦合。(b)本征模式磁场的演变。(c)为a中相应的本征频率虚部。(d)0阶BIC模式磁场z分量在角向上的变化。

图4. 三维有限长度金属结构中的BIC。(a)散射截面分析。(b)本征模式分析。(c)为b中相应的BIC模式的 Q因子。(d)和(e)为0阶BIC磁场分布的三维视图和截面视图。

文章证明了二维和三维纹理化金属圆柱中存在等离激元BIC，该BIC来源于金属结构中SLSP模式的干涉相消。金属圆柱结构的极端各向异性特性导致了所存在的多极BIC是简并的。由于SLSP物理上源于内在的几何结构，所发现的BIC可以扩展到其他波动系统。研究结果为在亚波长尺度上增强光与物质相互作用提供了一种新方法，有望在传感器、激光器和非线性光学等方面具有应用价值。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202201590.