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撰稿| 由课题组供稿
导读
近日，重庆大学韩德专研究员与香港科技大学陈子亭教授、清华大学郑春雄教授和复旦大学资剑教授科研团队合作，从理论上构建了首个严格可解的连续谱中束缚态(Bound state in the continuum, BIC)模型。该模型不仅证明了二聚化系统中BIC的稳定性，进一步发现了BIC在宇称时间(PT)扰动下会转变为一类特殊的BIC——它们虽然不向外辐射但是可以通过远场激发。此外，还揭示了该系统中PT对称性会导致态的分裂，而非之前人们所广泛研究的态的合并（奇异点处），并发现了BIC和激光阈值态成对出现的现象。实际上，这些新颖的的现象是普遍存在的，也会出现在其它支持BIC的周期系统中。将PT对称和BIC相结合，不仅改变了BIC品质因子的发散速率还改变了其不能通过远场激发的特性，从而为新型BIC激光、超敏感探测和场增强等应用提供新的思路。相关研究成果以“Coexistence of a new type of bound state in the continuum and a lasing threshold mode induced by PT symmetry”为题于2020年8月19日在线发表于《Science Advances》杂志上。
BIC是一类特殊的共振态，其动量和频率虽然与自由空间模式匹配，却具有无限大的品质因子，因此在过去近二十年内引起了很大的研究兴趣。传统的观点认为既然BIC位于连续谱中而不向外辐射，那么它也不能被来自远场的波所激发。因此，更早的光学和声学文献将这种模式形象的称为deaf mode。由于它本身不能向自由空间辐射，所以对BIC更加准确的描述应该是deaf-mute mode。为了有效的激发这种态以得到实际应用，一些文献中采用打破结构对称性的方式，使得BIC转变为准BIC。这种准BIC虽然可以被外场激发，但同时也会向外辐射，即拥有有限大的品质因子。
另一方面，非厄米物理最近引起了科研人员相当大的兴趣，尤其是满足PT对称的非厄米系统。在PT对称的系统中，两个或多个模式可能产生合并，会产生奇异点(Exceptional point, EP)并伴随着实能谱到复能谱的相变。由于光学系统中增益和损耗在实验上比较容易实现，故而成为实现PT对称的理想平台。同时，PT对称也为操控光子提供了新的方案。然而满足PT对称的系统是否存在BIC，以及PT对称的扰动对BIC的影响均是当前微纳光子结构研究领域中值得研究的问题。
一般的，在周期系统中的BIC通常可分为两类：受对称保护的BIC和偶然的BIC。确定对称保护BIC的位置是比较容易的，它一般出现在Brillouin zone的中心。为了确定偶然BIC的位置，通常需要调节系统参数，然后在某个波矢K≠0处得到发散的品质因子。这往往需要很大的计算量。本论文从理论上构建了首个严格可解的BIC模型。基于此模型可以很容易得到偶然BIC的位置，以及在参数空间中偶然BIC的演化、产生和湮灭，进而得到存在偶然BIC的相图。这对研究BIC的行为有很大帮助。
如前所述，BIC可以用deaf-mute mode来描述。在实际应用中，一些文献通过打破结构对称性，以有限的品质因子为代价，将BIC转变为准BIC。这种准BIC实际上是共振态，即是既不deaf又不mute的态。然而本研究发现一种由PT对称诱导的新型BIC，我们称之为pt-BIC。与传统BIC相似，这种pt-BIC具有纯实的频率，它不向外辐射，但是很特别的是，它能被来自远场的波激发。换句话说，这种pt-BIC是mute but not deaf mode。基于上述严格可解的BIC模型，我们在PT对称扰动下证明了这种反直觉的现象。值得一提的是这里研究的BIC和pt-BIC都不受材料和几何参数的限制，在参数空间中可以稳定存在。而且，我们发现对于其他支持BIC的周期结构，PT对称也会诱导出pt-BIC。
此外，pt-BIC的存在也揭示了PT对称系统中一些新的物理现象。在PT对称的系统中，大多数研究关注两个态合并在一起（对应的本征值和本征态合并），从而产生EP点。本工作将增益和损耗引入支持BIC的系统中，会发现一个新颖的现象：PT对称性会导致态的分裂。一个BIC会分裂成两个具有纯实能量的态：pt-BIC和激光阈值态。这些新奇的物理现象与备受关注的基于EP点的现象完全不同。因此该结果为研究PT对称和非厄米系统提供了新的方向。同时，这种可以通过远场激发的束缚态也为BIC在激光、超敏感探测等方面的应用提供新的可能。
我们从理论上构建了首个严格可解的BIC模型。从这个模型中很容易得到存在偶然BIC的相图。当PT对称的扰动引入模型时，原来的BIC会分裂为一对pt-BIC和激光阈值态。这种pt-BIC具有不同的品质因子发散速率，属于新的一类BIC。此外，不同于过去已知的BIC，pt-BIC不向外辐射但可以被来自远场的波激发。事实上，pt-BIC和激光阈值态分别对应非厄米矩阵的左矢和右矢。因此这种态分裂的现象具有普遍性，可以直接推广到其它的周期系统中。该结果将BIC，PT对称和激光联系起来，为研究非厄米物理和BIC的应用提供了全新的视角。
此项工作以重庆大学为第一单位，重庆大学宋前举、清华大学胡嘉顺和重庆大学戴士为为共同第一作者，重庆大学韩德专研究员、香港科技大学陈子亭教授和清华大学郑春雄教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金，重庆大学校长专项基金，香港研究资助局等的资助。
文章链接
https://advances.sciencemag.org/content/6/34/eabc1160
DOI: 10.1126/sciadv.abc1160
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