【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和國家重點(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。然而，當(dāng)偏離BIC時(shí)，光子晶體的共振模式Q值會迅速下降，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，受moiré超晶格獨(dú)特物理性質(zhì)的啟發(fā)，研究者們對光子系統(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，由于空間反演對稱性和鏡面對稱性的破缺，這種轉(zhuǎn)角引發(fā)的moiré準(zhǔn)BIC通常會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)問題。
 

　　研究亮點(diǎn)之一：通過對多個(gè)拓?fù)浜傻木_調(diào)控，構(gòu)造了完美的moiré BIC
 

　　針對上述問題，研究人員利用兩層周期失配的一維光子晶體光柵，通過上下層的融合構(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。對于圖中紅色能帶，其在Γ點(diǎn)的本征場分布如圖1c所示，清晰展現(xiàn)出moiré平帶的本征場具有明顯的局域化特性。相比于傳統(tǒng)的亞波長光柵能帶結(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)在動量空間中的輻射行為。對于Γ點(diǎn)模式，其具有五個(gè)獨(dú)立的輻射方向，分別對應(yīng)k x ="0," ±2π/A, ±4π/A。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，動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。作為對比，圖2b展示了傳統(tǒng)BIC能帶的遠(yuǎn)場輻射情況，其中僅有一個(gè)拓?fù)浜晌挥?Gamma;點(diǎn)，導(dǎo)致遠(yuǎn)離Γ點(diǎn)的輻射強(qiáng)度顯著增加，進(jìn)而對應(yīng)較低的Q值。圖2c對比了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
 

　　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，通過角分辨透射譜的測量，研究人員繪制了該結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系?？梢钥吹揭粭l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。通過散射強(qiáng)度譜線，他們測量了不同波矢點(diǎn)光子晶體模式的Q值，并將結(jié)果展示于圖3d?？梢钥吹?，在入射角為3.6°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的觀測與Q值測量。
 

　　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，通過樣品的制備與測量，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，為未來探索光與物質(zhì)的強(qiáng)相互作用提供了有效參考。