太赫兹元表面连续体中的混合约束态

图1. 混合BIC格子。(a-c) 没有辐射通道的对称保护BIC晶格的示意图(a)，通过打破对称性对所有谐振器开放辐射通道的均匀准BIC晶格(b)，以及沿x轴互换一半辐射通道的混合准BIC晶格(c)。资料来源：《光电子科学》（2023）。DOI: 10.29026/oes.2023.230006

质量系数（Q）是表征光-物质相互作用强度的一个关键参数。具有较高品质因子的腔体有能力有效地限制光，从而增强光-物质的相互作用。这一特点在各种应用中具有重要意义，如激光器、过滤器、谐波发生器和传感器。

已经提出了不同的方案来提高微腔的品质因子，如微盘、布拉格反射器微腔和光子晶体。在带状结构的光锥之上，没有能量辐射泄漏的束缚态也可以获得，即连续体中的束缚态（BIC）。BIC提供了一种获得超高品质因子共振的通用方法，从而成为增强光-物质相互作用的强大机制，在低阈值激光器、多光谱传感和高次谐波产生方面得到了应用。

对于一个典型的BIC，在Q和波矢量（k）之间有一个二次定量关系，通常k的微小干扰会导致Q的迅速恶化。然而，在加工过程中不可避免地引入缺陷和紊乱，这大大降低了实际样品中共振的质量系数。合并BIC的想法是从调节Q和k之间的指数系数（从-2到-6）开始的，这在很大程度上缓解了Q的恶化速度，提供了一个非常有效的机制。

但这种方法需要精确控制微结构的几何尺寸，只适用于同时具有对称性保护和偶然性BIC的带状结构，要求相当苛刻。

最近，南方科技大学的丛龙庆课题组在《光电子科学》（OES）上发表了一篇题为 "太赫兹元表面连续体中的混合约束态 "的研究论文。他们提出了一种更通用的方法来提高对称保护的BIC的整体质量因素和鲁棒性。

与传统的通过在整个超材料晶格中均匀地打破谐振器的对称性来实现准BIC的方法不同（见图1a和b），他们有选择地保持整个晶格的局部C2对称性，这样可以减少辐射损耗，提高阵列的质量系数（见图1c）。

图2. 混合BIC晶格的明显的Q值改善和对制造缺陷的鲁棒性。(a) U-qBIC、Ht-BIC、Hx-BIC和Hq-BIC晶格的辐射Q值与不对称度的演变。在辐射密度较低的混合单元格中，总体质量因素得到改善。(b) 制造缺陷对四种情况下的质量因素的影响。资料来源：《光电子科学》（2023）。DOI: 10.29026/oes.2023.230006
这是一种通用的方法，可以扩展到任何对称保护的BIC，而不需要精确的几何设计或带状选择的要求。根据定性和定量分析，混合BIC晶格可以达到比传统晶格高14.6倍以上的质量系数（图2a）。通过增加Q和k之间的比例系数，混合BIC元面的质量因子鲁棒性对失调和其他干扰的影响得到改善，从而有效地减少了实际设备中质量因子的恶化。这为实现高质量因子提供了一种更普遍和简单的方法（图2b）。

图3. 广义的高阶混合BIC。(a, b) Ht-BIC和Hq-BIC元表面的显微图像，在一个2×2的超级单元中，四个不对称谐振器中分别有三个和一个，沿x和y轴的周期为2a。比例尺，20μm。(c) 在布里渊区从U-qBIC晶格（黑色）到Ht-BIC/Hq-BIC（红色）的带状折叠示意图。(d) Ht-BIC（左）和Hq-BIC（右）元表面在不对称度为2.97%时的模拟传输振幅光谱。资料来源：《光电子科学》（2023）。DOI: 10.29026/oes.2023.230006

通过对晶格的互换空间分析，混合BIC晶格可以同时将均匀BIC晶格的X、Y、M点的特征态折叠到Γ点，这样就可以在远场辐射中观察到多个法诺共振（图3）。多个高质量因子的法诺共振在脉冲产生、传感、通信等方面非常重要，特别是对基于太赫兹光子学的传感和下一代无线通信的发展。这为融合元表面和太赫兹光子学提供了新的见解，以促进其在不同领域的发展。

这项工作将进一步丰富BIC的物理意义，拓宽超材料和太赫兹光子学的视野。

参考资料：Junxing Fan et al, Hybrid bound states in the continuum in terahertz metasurfaces, Opto-Electronic Science (2023). DOI: 10.29026/oes.2023.230006