全介質超表面中基于對稱性破缺調控高Q準連續體束縛態的研究進展

    近日，華東師范大學與貴州民族大學的研究團隊在全介質超表面領域取得重要突破，其研究成果以“Engineering High Quality Quasi Bound Statesinthe Continuum Through Controlled Symmetry Breakingin All Dielectric Metasurfaces”為題發表于《Laser&PhotonicsReview》期刊。該研究通過精確控制對稱性破缺，成功實現了超高品質因子（Q因子）準連續體束縛態（準BICs）的工程化調控，為納米光子學領域的應用提供了全新的設計框架。

    研究背景：連續體束縛態的獨特價值與研究現狀

    連續體束縛態（BICs）作為一類獨特的物理現象，自1929年于量子力學領域被提出后，已逐步拓展至電磁學、聲學等多個領域。從本質而言，BICs是一類特殊的漏模，雖處于輻射連續體中，卻具備無限的品質因子（Q因子）與壽命；同時，其與拓撲缺陷密切相關，在動量空間中表現為攜帶整數拓撲電荷的極化奇異性。

    從實際應用角度看，BICs需轉化為具有有限但高Q因子的準BICs，方可通過外部激發進行探測。通常，高Q準BIC的激發會伴隨結構內部及周圍顯著的電/磁場增強效應。憑借超高Q因子與拓撲缺陷特性，BICs在生物傳感器、超低閾值激光器、增強三次諧波生成、高效量子光源、熱發射器、邊緣檢測、強耦合及渦旋光束生成等眾多前沿應用中展現出巨大潛力。

    根據形成機制，BICs可分為四類：對稱性保護型（SPBICs）、偶然型、FriedrichWintgen型及法布里珀羅型。其中，SPBICs因可在具有特定群對稱性的介質超表面與光子晶體薄片中便捷構建，成為研究最為廣泛的類型。通過破壞單元結構的對稱性，可將SPBICs轉化為準BICs。已有研究表明，準BICs的Q因子大致遵循與不對稱參數的反二次關系（Q≈Cα?2，其中α為不對稱參數，C為常數）。為優化準BICs的Q因子，學界已提出多種設計方法，均基于對稱性破缺手段。但迄今為止，多數研究聚焦于通過調控α以獲得超高Q因子，而常數C的作用卻被大幅忽視。理論上，若C值足夠大，即便不對稱參數并非極小，仍可實現超高Q準BIC，這為研究提供了新的探索方向。

    研究方法：三種對稱性破缺方式的系統調控

    研究團隊以立方體納米粒子陣列構成的硅超表面為研究對象，系統探究了SPBICs在不同類型對稱性破缺下的響應特性，通過三種對稱性破缺方式將5個SPBICs轉化為具有有限Q因子的準BICs：

    1.偏心圓形空氣孔結構：在立方體單元中引入偏心圓形空氣孔，通過調控空氣孔的空間偏移量與半徑，實現對稱性破缺的精確控制。

    2.U型截面納米粒子：將立方體結構改造為U型截面的納米粒子，通過改變截面幾何參數引入對稱性破缺。

    3.L型截面納米粒子：設計L型截面的納米粒子陣列，研究該幾何構型下對稱性破缺對Q因子的影響。

    研究建立了Q因子與不對稱參數的關系模型（log10Q=C?+k·log10α），揭示了截距C?與斜率k可通過不同結構擾動進行工程化調控的規律。

    關鍵發現：Q因子響應的差異性及機制解析

    研究發現，不同對稱性破缺配置下，Q因子對結構擾動的響應存在顯著差異性：

    對于含偏心空氣孔的超表面，準BICs的Q因子同時依賴于空氣孔的空間偏移方向與半徑。當空氣孔沿不同方向移動時，Q因子的變化趨勢呈現明顯差異；而空氣孔半徑的改變則顯著影響Q因子的絕對值。

    在U型與L型結構中，準BICs的Q因子排序會隨不對稱參數變化發生重排，表明幾何構型的改變可重塑共振模式的層級關系。

    上述現象可通過本征場擾動機制解釋：對稱性破缺對BICs本征場的擾動效率，直接決定了Q因子與不對稱參數的關聯特性。擾動越精確地作用于本征場關鍵區域，越能實現Q因子的高效調控。

    實驗驗證：超高Q因子的實現與驗證

    為驗證理論預測，研究團隊制備了一系列硅超表面試樣，并利用自制的交叉偏振測量系統測試其散射光譜特性。實驗結果顯示，所有對稱性破缺配置下的準BICs均實現了超過10,000的Q因子，最高值達30,270，與數值模擬結果高度吻合，證實了該調控框架的有效性。

    研究意義與應用前景

    該研究建立了通過對稱性工程在介質超表面中實現超高Q（>10?）共振的通用框架，其創新之處在于：突破了傳統研究中僅關注不對稱參數α的局限，通過優化結構設計提升常數C值，為高Q準BIC的實現提供了全新路徑。

    這一成果不僅深化了對BICs物理機制的理解，更為納米光子學器件設計提供了關鍵指導。基于超高Q準BIC的強光物質相互作用特性，未來有望在以下領域實現突破：超高靈敏度生物化學傳感器、超低閾值微型激光器、高效非線性光學器件（如三次諧波發生器）、量子光源與量子信息處理元件、新型光場調控器件（如渦旋光束發生器）等。

    隨著研究的深入，基于對稱性工程調控的高Q準BIC超表面有望成為下一代光子學技術的核心平臺，推動多個交叉學科領域的發展進程。