撰稿|由课题组供稿
近日，陕西省超快光电技术与太赫兹科学重点实验室、西安理工大学理学院应用物理系王玥教授领衔的太赫兹微纳材料、器件物理与应用创新团队在全介质太赫兹超表面中融合连续域束缚态的拓扑调控方面取得研究进展。研究成果以“Tailoring topological nature of merging bound states in the continuum by manipulating structure symmetry of the all-dielectric metasurface”为题发表于国际著名物理学期刊《Physical Review B》 (10.1103/PhysRevB.109.035406)上。
俘获和限制光的能力对于增强光-物质相互作用的众多光子学应用，如激光、超灵敏传感、和非线性效应尤为重要。常规的光俘获策略是利用工作于光线以下的全内反射，这不可避免地阻碍了自由空间光与常规束缚态之间的有效耦合。连续域束缚态(Bound states in the continuum，BIC)这一概念的出现为捕获具有超长辐射寿命的光提供了难得的切入点。光学BIC是一类具有无限高Q因子和零共振线宽的特殊电磁本征态，尽管它们的频率位于光锥以上、衍射极限以下的连续辐射谱内。然而，在实际的光学系统中，由于材料吸收、制造误差和有限尺寸效应，BIC不可避免地表现为具有超高但衰减的Q因子的准BIC。利用BIC的拓扑特性，同一光子能带上的多个BIC可以调谐到同一波矢形成融合BIC。与孤立BIC相比，融合BIC可以抑制面外辐射损耗，从而提高共振态Q因子。
图1 (a)六角晶格太赫兹超表面示意图。(b)沿高对称M-Γ-K方向的TE类能带。(c)沿高对称M-Γ-K方向TE1模式的归一化辐射损耗。(d) Q因子随超表面厚度变化的分布图。
图2 超表面厚度分别为t = 210 µm (融合前)、t = 197.5 µm (融合时)和t = 190 µm (融合后)时动量空间中BIC的Q因子(a)、远场辐射偏振矢量(b)、节点线cx(c)与cy(d)的绝对值分布图。
图3 厚度分别为t = 210µm (合并前)、t = 221.4µm (合并时)和t = 225µm (合并后)时动量空间中BIC态的Q因子(a)和远场偏振态分布(b)。(c)三种不同厚度的Q-k关系(虚线)和相应的拟合曲线(实线)。
图4 (a)半长轴绕z轴旋转角度θ的椭圆孔超表面示意图。t = 210µm和θ = 20°时的孤立BIC、t = 206.5µm和θ = 20°时融合BIC和t = 205.5 µm和θ = 32°时融合BIC在动量空间中Q因子(b)和远场偏振态(c)分布图。
总之，研究团队从理论上提出并数值上证明了融合BIC可以激发在打破对称的全介质太赫兹超表面动量空间中几乎任意波矢上。融合BIC具有超高的Q因子，可以极大地促进许多需要强光-物质相互作用的尖端应用，例如，超灵敏生化传感，低阈值量子级联激光器，超低功率开关，以及用于太赫兹频段光电子器件性能的改进。此外，非Γ融合BIC也为许多需要动量选择的BIC相关应用开辟了广阔的前景，例如片上光束引导、定向矢量光束、角度复用超灵敏传感器等。
西安理工大学博士研究生孙广成为第一作者，王玥教授为论文通讯作者，硕士研究生李曜合、博士研究生崔子健和陈文硕也参与了这项研究，哈尔滨工业大学张狂教授也为本工作提供了指导。该工作得到了国家自然科学基金、西安市重点产业链关键核心技术攻关项目、陕西省高校青年创新团队及陕西省重点研发计划的资助。
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.109.035406
