Nat.Commun.| 基于连续域中束缚态的平面手性超表面

撰稿|由课题组供稿

近日，暨南大学李向平、邓子岚教授团队与中国科学院物理所的李俊杰教授团队合作，提出了一种基于连续域中束缚态(BIC)的平面手性超表面，在光学频段实现了同时具有超高品质(Q)因子和超高圆二色性(CD)的手性响应。通过调控C₂超原子的面内结构非对称度，获得了理论线性CD与非线性CD均接近1；实验线性CD高达0.93，非线性CD高达0.81的近完美平面手性响应。研究成果有望应用到特定偏振态激光、手性非线性光学器件等领域。相关成果以“Planar chiral metasurfaces with maximal and tunable chiroptical response driven by bound states in the continuum”为题，于2022年7月15日发表于《Nature Communications》上。暨南大学史坦博士、邓子岚教授以及中国科学院物理所耿广州工程师为该工作的共同第一作者，暨南大学邓子岚教授、李向平教授以及中国科学院物理所李俊杰研究员为共同通讯作者。此外，澳大利亚国立大学Yuri Kivshar、美国纽约市立大学Andrea Alù、新加坡国立大学Cheng-Wei Qiu、新加坡南洋理工大学Guangwei Hu等合作者也为这项研究做出了贡献。

光与特定的几何形状相互作用会产生手性效应，包括圆二色性(Circular Dichroism)和旋光性(Optical activity)，表现为左/右旋圆偏振光照明之间的强度和相位响应差异。光学手性响应容易在三维(3D)光子结构中实现，然而这依赖于苛刻的3D纳米制造技术，实用性受限。二维(2D)或平面结构已经展示出具有偏振转换特性的平面手性光学响应，然而，由于吸收及散射损耗的存在，同时实现最大手性响应与超高Q因子仍具有挑战性，阻碍了诸多基于强手性光与物质相互作用的应用场景。BIC是提高纳米光子结构Q因子的有效解决方案，将BIC与手性纳米结构相结合，有望扩展光学手性响应的应用场景。

本研究工作采用具有面内C₂旋转对称性的双面镰刀形（double-sided scythe, DSS）结构来构造BIC态，并在光学频段实验实现了一种同时具有超高Q因子与超高CD的平面手性超表面，如图1所示。

图1. (a)偏振无关准BIC超表面、(b) 3D手性准BIC超表面与 (c) 本研究工作的平面手性准BIC超表面比较示意图。（d-f）平面手性BIC超表面单元结构、能带图与Q因子分布图。其中，BIC偏振奇点被椭圆本征偏振态围绕。

图2. 通过打破入射光对称性与面内结构对称性，实现从BIC到高Q高CD准BIC共振的转换。

打破DSS超表面的面内结构对称性或入射光对称性，均能获得同时具有高Q与高CD的平面手性准BIC共振，如图2所示。图2(a-d)为DSS超表面在被打破入射光对称性情况下的透射谱（包含圆偏振基矢下的4个琼斯矩阵分量：T_ll, T_rr, T_rl, T_lr）和CD谱。在准BIC处，T_lr出现尖锐的共振峰（峰值大于0.9），其他三个琼斯矩阵分量（T_ll, T_rr, T_rl,）均为0，因此CD接近1。随着θ的增加，CD谱的线宽从0逐渐增大，并且峰值CD在有限线宽下维持接近1（图2c）。（图2e-h）为打破DSS超表面单元结构对称性，并在正入射情况下的手性响应情况。通过引入面内几何非对称参数δ，如图2e所示，同样可以获得高Q与CD接近于1的光学手性响应。

图3. 实验验证平面手性准BIC随入射角的变化规律。

图3为不同入射角下DSS超表面的手性光学响应的实验测量结果。与理论预期结果类似，实验上测得的准BIC共振峰的线宽随入射角的减小而变窄，当入射角为0时，线宽消失，为BIC态。在非0入射角的情况下，CD均保持为较高水平（均大于0.72，最高达到0.88）。

图4. 实验验证平面手性准BIC随单元结构非对称度的变化规律。

图4为正入射情况下，平面手性准BIC随单元结构非对称度变化规律的实验测量结果。可以明显看到，共振线宽随着结构非对称度δ的减小而减小，当非对称度为0时，线宽消失。当δ=40nm时，获得了实验上最大的CD（0.93）。

图5.平面手性准BIC超表面的非线性CD增强效应。

为了使平面手性准BIC的高Q特性能应用到有源光器件，本研究工作还基于DSS结构构造了具有圆偏振本征态的超表面，如图5所示。具有圆偏振本征态的平面手性结构，由于背景散射，其线性CD并未达到最大值（图5a，e）。但得益于手性场增强效应（图5c），其非线性CD达到最大值（图5d）。图5f为左旋（lcp）、右旋（rcp）圆偏振光泵浦下实验测得的三次谐波（THG）发射强度，与基准硅薄膜的THG发射强度相比，平面手性准BIC显著提高了THG效率，同时获得了高达0.81的非线性CD。

综上，该研究工作理论提出并在实验上实现了同时具有超高Q值与超高CD的平面手性超表面。获得了理论线性CD与非线性CD均接近1；实验线性CD高达0.93，非线性CD高达0.81的平面手性响应，为手性纳米激光及手性非线性光学提高了优良平台。

该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队项目、广东省杰出青年科学基金等项目的支持。

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31877-1