▎導(dǎo)讀

超表面中的無輻射模式，是指在特定的光譜位置具有強(qiáng)光束縛和巨大Q因子的模式，能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁波的高效調(diào)控。無輻射模式可大致分為兩類，包括高Q因子連續(xù)域中的束縛態(tài)（Bound states in the continuum, BIC）和相對低Q因子的anapole模式。不同類型的超表面均可用于產(chǎn)生無輻射模式，如等離激元材料、電介質(zhì)材料、二維過渡金屬硫化物（Transition metal dichalcogenides，TMDs）、鈣鈦礦等，可用于各種線性和非線性納米光子學(xué)應(yīng)用。

近日，北京理工大學(xué)黃玲玲教授團(tuán)隊在Light: Science Applications上發(fā)表了一篇題為“Radiationless modes in metasurfaces: recent progress and applications”的綜述文章，回顧了多種超表面中BIC和anapole的基礎(chǔ)原理、最新進(jìn)展和應(yīng)用。

▎等離激元超表面

理想情況下，超表面中產(chǎn)生的無輻射模式BIC的Q因子無窮大，難以被利用，所以通過激發(fā)準(zhǔn)BIC（Quasi-Bound states in the continuum, Q-BIC）模式來獲得較高Q因子。然而，等離激元超表面中固有的歐姆損耗降低了系統(tǒng)的Q-BIC的Q因子。針對另外一種無輻射模式，即anapole模式，是由電偶極子和環(huán)向偶極子干涉相消激發(fā)。等離激元超表面已被用于增強(qiáng)非線性效應(yīng)和控制光的偏振性。在普通的光學(xué)介質(zhì)中，非線性效應(yīng)產(chǎn)生于電場，而在等離激元超表面中非線性效應(yīng)也可以從磁場中產(chǎn)生。

圖1：等離激元超表面中的BIC

▎電介質(zhì)超表面

利用不同材料，如硅、砷化鎵、氮化硅、砷化銦鎵和砷化鎵等材料組成的亞波長諧振器構(gòu)成超表面，可產(chǎn)生BIC模式。例如，BIC可由電介質(zhì)二聚體中激發(fā)的具有沿y軸和z軸環(huán)形矩的兩個本征模式干涉而產(chǎn)生的，這也揭示了環(huán)形偶極子與BIC之間的聯(lián)系。理論和實驗上都驗證，在多種電介質(zhì)構(gòu)型和組合中都存在anapole態(tài)。相比于等離激元超表面中固有的低非線性響應(yīng)，電介質(zhì)超表面的非線性響應(yīng)高、損耗低、光局域能力強(qiáng)，這最終導(dǎo)致其能產(chǎn)生大數(shù)量級的高頻轉(zhuǎn)換。除此之外，多極矩的電磁激勵可以進(jìn)一步提高非線性效率轉(zhuǎn)換。

圖2：電介質(zhì)超表面中的BIC用于增強(qiáng)非線性效應(yīng)

▎二維過渡金屬硫化物（TMDs）超表面

二維過渡金屬硫化物具有高可調(diào)性和模式疊加特性。據(jù)報道，TMDs可以作為超表面納米天線，支持不同的米氏共振和多種重疊模式。通過構(gòu)建單層TMDs與電介質(zhì)結(jié)構(gòu)或光柵結(jié)構(gòu)復(fù)合的超表面，能夠促進(jìn)光與物質(zhì)相互作用。例如，采用支持BIC模式的超表面與單層TMDs結(jié)合，能夠?qū)е录ぷ?極化子非線性增強(qiáng)，實現(xiàn)100meV光子帶隙，拉比分裂能量為70meV。此外，利用硅超表面與TMDs相互耦合激發(fā)的BIC模式，能夠產(chǎn)生500倍以上的二次諧波增強(qiáng)。類似地，利用TMDs復(fù)合結(jié)構(gòu)也能產(chǎn)生anapole共振，以增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用。近年來，少層TMDs超表面中的BIC被提出，應(yīng)用于生物傳感和濾光等功能。

圖3：單層TMD與光柵復(fù)合結(jié)構(gòu)中的BIC場增強(qiáng)與能帶調(diào)控。

圖4：TMDs超表面支持的Anapole模式

▎鈣鈦礦超表面

相比于金屬或電介質(zhì)材料構(gòu)成的超表面，鈣鈦礦材料本身具有高發(fā)光量子效率、可調(diào)諧的帶隙以及良好的溶液可加工性，使其構(gòu)造的超表面可以更加容易激發(fā)BIC或Q-BIC。例如，通過設(shè)計具有高定向輸出、單模運轉(zhuǎn)的鈣鈦礦超表面可以作為渦旋激光器和室溫下超快全光光開關(guān)。另外，鈣鈦礦超表面能夠?qū)崿F(xiàn)自旋-能谷鎖定，這是通過在BIC模式上加載光子自旋相關(guān)的幾何相位來實現(xiàn)的，可被用于提高手性發(fā)射器的效率和定向性。

圖5：基于鈣鈦礦超表面所支持的高品質(zhì)因子BIC用于激光激射。

▎總結(jié)與展望

本文詳細(xì)描述了基于超表面產(chǎn)生BIC和anapole無輻射模式的基本原理，涵蓋了關(guān)于超表面布里淵區(qū)折疊的調(diào)控、手性結(jié)構(gòu)中的BIC和anapole的激發(fā)、可調(diào)諧的輻射和Q因子、TMDs超表面中anapole對于高次諧波的增強(qiáng)、低溫和室溫下基于鈣鈦礦和半導(dǎo)體材料超表面的激光激射、雙波段極化上轉(zhuǎn)換光致發(fā)光和調(diào)諧BIC和奇異點等研究，有望應(yīng)用于光學(xué)傳感、波前控制、光場調(diào)控、發(fā)射、激光激射、非線性高次諧波產(chǎn)生等領(lǐng)域。

▎論文信息

Muhammad, N., Su, Z., Jiang, Q. et al. Radiationless optical modes in metasurfaces: recent progress and applications. Light Sci Appl 13, 192 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01548-5