北理工科研團(tuán)隊(duì)在光學(xué)連續(xù)譜束縛態(tài)研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-10-23 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
日前，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授團(tuán)隊(duì)與復(fù)旦大學(xué)物理系資劍教授和石磊教授課題組合作,，在光學(xué)moiré連續(xù)譜束縛態(tài)研究方面取得重要進(jìn)展,。相關(guān)工作發(fā)表在Nature Communications【Nat. Commun. 15, 9080 (2024)】上,。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士生秦皓宇,、張蔚暄研究員,、張慧珍副研究員以及復(fù)旦大學(xué)物理系博士生陳劭虎為論文共同第一作者。張向東教授,、石磊教授和張蔚暄研究員為通訊作者,。復(fù)旦大學(xué)資劍教授、中科院物理所的潘如豪工程師和李俊杰研究員也對(duì)此工作做出了重要貢獻(xiàn),。
連續(xù)譜束縛態(tài)（Bound states in the continuum, BIC）是指能量位于擴(kuò)展態(tài)的連續(xù)譜中,，卻表現(xiàn)為完美束縛態(tài)的特殊能態(tài)。BIC的概念最早在量子體系中提出,，隨后在各類波動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛研究,。由于其超高的品質(zhì)因子（Q值），光子BIC已成為研究光與物質(zhì)強(qiáng)相互作用的理想平臺(tái),。然而,，當(dāng)偏離BIC時(shí)，光子晶體的共振模式Q值會(huì)迅速下降,，并且由于其能帶的顯著色散特性,，BIC在單頻廣角光照射下的應(yīng)用依然面臨挑戰(zhàn)。此外,，結(jié)構(gòu)加工中的誤差往往導(dǎo)致實(shí)際樣品中BIC的Q值大幅降低,，進(jìn)一步限制了其應(yīng)用潛力。
近年來(lái),，受moiré超晶格獨(dú)特物理性質(zhì)的啟發(fā),，研究者們對(duì)光子系統(tǒng)中的moiré物理展開了廣泛研究。特別是,，近期的理論工作提出了通過(guò)轉(zhuǎn)角雙層光子晶體板設(shè)計(jì)準(zhǔn)BIC的方案【Phys. Rev. Lett. 128, 253901 (2022)】,。然而，由于空間反演對(duì)稱性和鏡面對(duì)稱性的破缺,，這種轉(zhuǎn)角引發(fā)的moiré準(zhǔn)BIC通常會(huì)向高階衍射通道輻射能量,。此外，隨著moiré平帶本征模式的波矢遠(yuǎn)離Γ點(diǎn),，其Q因子顯著下降,。因此，在moiré光學(xué)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)完美的BIC以及進(jìn)一步探究moiré BIC的獨(dú)特性質(zhì),，成為亟待研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,。
研究亮點(diǎn)之一：通過(guò)對(duì)多個(gè)拓?fù)浜傻木_調(diào)控，構(gòu)造了完美的moiré BIC
針對(duì)上述問(wèn)題,，研究人員利用兩層周期失配的一維光子晶體光柵,，通過(guò)上下層的融合構(gòu)建了moiré光柵結(jié)構(gòu),，如圖1a所示。其能帶分布展示于圖1b,，可以看到多條色散性較弱的光子平帶,。對(duì)于圖中紅色能帶，其在Γ點(diǎn)的本征場(chǎng)分布如圖1c所示,，清晰展現(xiàn)出moiré平帶的本征場(chǎng)具有明顯的局域化特性,。相比于傳統(tǒng)的亞波長(zhǎng)光柵能帶結(jié)構(gòu)，moiré光柵的每個(gè)布洛赫模式都存在多個(gè)輻射通道,。因此,，單一的拓?fù)浜刹蛔阋詫?shí)現(xiàn)完美的moiré BIC。為此,，在moiré平帶中實(shí)現(xiàn)BIC的關(guān)鍵在于將多個(gè)拓?fù)浜烧{(diào)節(jié)到所有輻射通道處,。
圖1d展示了moiré平帶（紅色）在動(dòng)量空間中的輻射行為。對(duì)于Γ點(diǎn)模式,，其具有五個(gè)獨(dú)立的輻射方向,，分別對(duì)應(yīng)k x ="0," ±2π/A, ±4π/A。通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),，動(dòng)量空間中形成了七個(gè)拓?fù)浜?，其中五個(gè)與Γ點(diǎn)的五個(gè)輻射通道精確匹配，從而使得Γ點(diǎn)模式成為完美的BIC,。圖1e展示了不同能帶的Q值分布,，可以看到紅色能帶在Γ點(diǎn)的Q值趨于無(wú)窮大，這進(jìn)一步驗(yàn)證了完美m(xù)oiré BIC的存在,。
圖1. 1D moiré光子晶體BIC的理論設(shè)計(jì),。
研究亮點(diǎn)之二：moiré BIC在全波矢空間的高Q響應(yīng)及魯棒特性
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，除了Γ點(diǎn)的moiré BIC具有無(wú)窮大的Q值,，遠(yuǎn)離Γ點(diǎn)的moiré BIC本征模式仍然保持較高的Q值,。圖2a展示了kx空間內(nèi)平帶的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射信息，可以清晰看到,，由于多個(gè)拓?fù)漭椛淞泓c(diǎn)的存在，極大地抑制了整條能帶的輻射強(qiáng)度,。作為對(duì)比,，圖2b展示了傳統(tǒng)BIC能帶的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射情況，其中僅有一個(gè)拓?fù)浜晌挥讦｜c(diǎn),，導(dǎo)致遠(yuǎn)離Γ點(diǎn)的輻射強(qiáng)度顯著增加,，進(jìn)而對(duì)應(yīng)較低的Q值。圖2c對(duì)比了moiré BIC平帶（紅色實(shí)線）與普通BIC（灰色實(shí)線）的Q值分布,，可以明顯看出moiré BIC能帶在整個(gè)k空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了全面的Q值提升,。
具有moiré BIC能帶的另一顯著特性是,，其大角度本征模式所表現(xiàn)出的強(qiáng)魯棒性。圖2c中橙色,、黃色和綠色實(shí)線分別展示了不同擾動(dòng)強(qiáng)度下moiré BIC平帶的Q值分布,。相應(yīng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的Q值變化則由灰色實(shí)線表示?？梢钥吹?，隨著擾動(dòng)強(qiáng)度的增加，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的Q值顯著下降,，而moiré BIC平帶的Q值在大角度下幾乎沒有衰減,，展現(xiàn)出極強(qiáng)的穩(wěn)定性。
圖2. Moiré BIC在全波矢空間的高Q響應(yīng)及魯棒特性,。
研究亮點(diǎn)之三：moiré BIC的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)
為了驗(yàn)證上述理論結(jié)果,，研究人員制備了設(shè)計(jì)好的moiré 光子晶體樣品。樣品尺寸為500×500 μm2,，包含約170個(gè)moiré周期,。圖3a展示了樣品的掃描電子顯微圖像，右側(cè)為單個(gè)單元的放大圖,。加工樣品的尺寸與理論設(shè)計(jì)高度吻合,。在圖3b中，通過(guò)角分辨透射譜的測(cè)量,，研究人員繪制了該結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系,。可以看到一條色散較弱的能帶出現(xiàn)在1440 nm附近,，證實(shí)了moiré光子晶體的平帶色散特性,。同時(shí)，能帶透射率在Γ點(diǎn)附近接近消失,，表明該區(qū)域模式與外界的耦合極具減弱,，從而驗(yàn)證了moiré BIC的存在。
此外,，研究人員利用可調(diào)諧激光器,，測(cè)得了不同頻率下樣品的等頻率圖，結(jié)果展示在圖3c中,。通過(guò)散射強(qiáng)度譜線,，他們測(cè)量了不同波矢點(diǎn)光子晶體模式的Q值，并將結(jié)果展示于圖3d,?？梢钥吹剑谌肷浣菫?.6°處，Q值達(dá)到了9042,，而在6.4°和8.3°時(shí),，Q值分別為6051和1094。這一結(jié)果證明了具有moiré BIC的平帶,，在大角度范圍內(nèi)都具有較強(qiáng)的Q值,。
圖3. Moiré BIC的觀測(cè)與Q值測(cè)量。
綜上所述,，研究人員首次提出并設(shè)計(jì)了光學(xué)moiré連續(xù)譜束縛態(tài),。通過(guò)精確調(diào)控多個(gè)拓?fù)錅u旋，使得Γ點(diǎn)本征模式的輻射被完全抑制,，同時(shí)顯著增強(qiáng)了能帶在廣角范圍內(nèi)的Q值與魯棒性,。此外，通過(guò)樣品的制備與測(cè)量,，驗(yàn)證了moiré平帶的色散特性以及其在廣角范圍內(nèi)Q值的提升,。這一研究成果成功構(gòu)建了窄帶、寬角度且具備高Q值的光學(xué)共振模式,，為未來(lái)探索光與物質(zhì)的強(qiáng)相互作用提供了有效參考,。
論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-53433-9
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