集成的微纳力学谐振器质量小且可以与光、物质发生强耦合，近年来激起了人们浓厚的研究兴趣。它们不仅被用于质量和力传感等精密测量，还被用于研究宏观量子物理现象。降低力学损耗对多数的应用至关重要，因此人们通常使用周期性结构，将力学模式从其环境中屏蔽开来。由于带隙屏蔽策略并不适用于非周期结构的单个谐振器（例如盘形和环形谐振器），人们通常采取最小化支撑结构的策略来降低此类器件的损耗，这增加了器件的制造难度并限制了其应用领域。因此降低这类谐振器里的力学损耗尽管重要，但仍颇具挑战性。
连续区束缚态(BIC)是一种本征能量位于耗散态的连续谱中但具有近似零损耗的本征态。 BIC 已被用于光学系统以降低损耗，并导致了许多应用，例如低阈值激光器和有效的二次谐波产生。鉴于 BIC 在光学系统里的成功，预计微纳力学系统里的 BIC 也可用于降低损耗从而提升其在多种应用中的性能。然而，用于构建 BIC 的现有方案采用周期性结构，它们通常占据较大的面积并具有较大的有效质量，在纳米力学应用中不受欢迎。虽然利用非周期结构的单个谐振器里的BIC可以获得更强的模式限制和更小的质量，但在实验上仍未实现。
近日，香港中文大学孙贤开教授课题组提出新的方案并首次通过实验观察到单个光力微腔里的力学 BIC。他们通过打破角向对称性在谐振器的两个力学模式间引入耦合，使得耦合后的一个混合模式在一定条件下成为 BIC。更重要的是，他们发现这个低损耗的力学BIC对支撑杆的宽度有很大的容忍度，当其从数百纳米变化到几微米都可以稳定存在（见图1）。论文作者巧妙地设计并制作了轮形光力微腔。除了力学模式，该微腔还支持高品质的光学回音壁模式。利用高灵敏度的光力传感，来获得不同结构的力学谐振器的品质因子（见图2）。
该实验观测到的力学BIC在微纳机电系统的应用中具有明显优势。传统上，人们需要通过减小微纳机电器件的支撑结构来降低能量损耗、提升器件性能，然而这一方式增加了器件的制作难度并限制了它们的应用领域。例如，基于精密力学结构的微纳机电器件不能重复用于基于流体的应用场合，因为它们无法承受从液体到气体的环境变化。而该实验中展示的低损耗的力学BIC可以存在于具有大而壮实的支撑结构的器件中，这极大地降低了器件制作难度，并拓宽了器件的应用领域。
图1 微力学谐振器里力学 BIC 的设计与数值模拟。（a）微力学谐振器的俯视图和侧视图。（b）模拟的力学品质因子随 rx 的变化。该因子在图中标出的 BIC 点达到最大值。插图显示的是相应的模式位移分布图。（c）模拟的BIC的力学品质因子随d的变化。
图2 光力微腔里力学BIC的实验结果。（a）实验制作的硅光力微腔的扫描电子显微镜图像。其附近的波导用于将光耦合到谐振器里，从而通过光学方式测量其力学模式。（b）在 6.0 × 10-3 Pa 的环境压强下测量的力学品质因子随rx 的变化。（c）测量的BIC的力学品质因子随环境压强的变化。
该工作在一个全新的系统中展示了“连续区束缚态”这一具有历史性的物理概念，为具有耗散通道的微力学结构开辟了一条束缚声子的新途径，将促进微纳机电系统、光力学和量子物理学等相关领域的发展。同时，该实验结果解决了微纳机电系统领域中一个具有挑战性的问题，可用于开发新的工程应用。
该研究成果以“Observation of mechanical bound states in the continuum in an optomechanical microresonator”为题发表在《Light: Science & Applications》。
https://www.nature.com/articles/s41377-022-00971-w
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