近日，南方科技大學(xué)電氣與電子工程系叢龍慶副教授團(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)期刊 Science Advances 以“High efficiency active membrane metasurfaces”為題發(fā)表最新研究成果。團(tuán)隊(duì)提出了一種基于寬帶 Kerker 效應(yīng)與準(zhǔn)束縛態(tài)(q-BIC)物理機(jī)制的新型“高效率主動(dòng)調(diào)制薄膜超表面”，在太赫茲波束控制領(lǐng)域取得多項(xiàng)國際領(lǐng)先的突破。

研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了一種兼具超高效率、低能耗、強(qiáng)頻譜和空間選擇的薄膜超表面，實(shí)現(xiàn)了太赫茲波束的高精度定向偏折。實(shí)驗(yàn)顯示，該器件的絕對(duì)偏折效率高達(dá)92%，線寬窄至4GHz，空間發(fā)散角僅2.8°，品質(zhì)因數(shù)高達(dá)114，并在極低光泵閾值下實(shí)現(xiàn)了94%的調(diào)制深度，整體性能達(dá)到當(dāng)前同類技術(shù)的國際最高水平。

更為重要的是，該設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)單點(diǎn) Kerker 效應(yīng)難以在完整2π相位調(diào)制范圍內(nèi)保持高效率的根本瓶頸(圖1A-1C)，實(shí)現(xiàn)了在全相位覆蓋區(qū)間內(nèi)所有結(jié)構(gòu)單元接近100%的光場(chǎng)透射效率(圖1D-1F)。通過對(duì)q-BIC色散機(jī)制的調(diào)控，并與拓展的寬帶 Kerker 效應(yīng)深度耦合，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)同時(shí)具備高效率、高空間和頻率選擇性及低閾值調(diào)制的新型薄膜超表面光場(chǎng)調(diào)控架構(gòu)。

圖1.單點(diǎn)與寬帶模式簡(jiǎn)并誘導(dǎo)的 Kerker 效應(yīng)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單點(diǎn)電偶與磁偶簡(jiǎn)并相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，但模式間不可避免的耦合始終阻礙著寬帶簡(jiǎn)并的實(shí)現(xiàn)。本研究將設(shè)計(jì)范式從傳統(tǒng)的參數(shù)空間擴(kuò)展至動(dòng)量空間，利用整個(gè)動(dòng)量空間進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，有效解決以往難以突破的寬帶模簡(jiǎn)并難題。

在這一新框架下，團(tuán)隊(duì)首次在動(dòng)量空間實(shí)現(xiàn)了雙模的寬帶簡(jiǎn)并，即寬帶 Kerker 效應(yīng)。通過將矩形晶格的Y點(diǎn)模式折疊至Γ點(diǎn)，獲得了兼具高穩(wěn)定性與高Q因子的帶折疊 BIC 模式(圖2A–2D)，使其在寬波矢范圍內(nèi)保持穩(wěn)健的簡(jiǎn)并特性(圖2B、2F)。隨后，通過引入微弱結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，團(tuán)隊(duì)精確調(diào)控遠(yuǎn)場(chǎng)輻射泄漏，使兩條模式在0.542 THz實(shí)現(xiàn)頻率與Q因子的同步交叉(圖2E、2F)。最終構(gòu)建的硅基薄膜超表面在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出超過96%的高透過率、完整的2π相位覆蓋，以及高達(dá)33倍的局域場(chǎng)增強(qiáng)，為寬帶 Kerker 效應(yīng)的高效率、高品質(zhì)因數(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定物理基礎(chǔ)(圖2G、2H)。

圖2.通過能帶折疊實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)簡(jiǎn)并下的 Kerker 效應(yīng)

依托超高透射效率的單元設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)制備了僅需調(diào)控單一參數(shù)，即y軸周期的相位梯度超表面，并在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了卓越的太赫茲波束偏折性能(圖3A)。角分辨時(shí)域譜測(cè)量顯示，器件在極窄頻譜寬度內(nèi)將92%能量定向偏折至+1級(jí)衍射方向，同時(shí)在0級(jí)衍射處實(shí)現(xiàn)完全抑制(圖3B-3E)。得益于q-BIC賦予的窄帶共振特性，偏折光束呈現(xiàn)僅2.8°的超小發(fā)散角以及高達(dá)114的Q值，兼具極高的光譜與空間選擇性(圖3F)。如此將超高效率、自由支撐薄膜結(jié)構(gòu)與窄帶高Q控制集成于同一器件，在太赫茲波束操控領(lǐng)域前所未有，為下一代高性能、低能耗的光子器件提供了強(qiáng)有力的平臺(tái)支撐。

圖3.基于 Kerker 效應(yīng)的膜膜超表面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了高Q值+1級(jí)衍射光束的低閾值調(diào)制能力。雙q-BIC簡(jiǎn)并確保了在低損耗條件下實(shí)現(xiàn)完整的2π相位覆蓋，而損耗反轉(zhuǎn)會(huì)觸發(fā)明確的相位躍遷，從而影響 Kerker 效應(yīng)的保持(圖4A)。在僅0.53 W/cm2的連續(xù)光泵下，衍射強(qiáng)度從92%降至5.8%，調(diào)制深度高達(dá)94%(圖4B-4F)，遠(yuǎn)優(yōu)于未圖案化硅薄膜的不足7%的調(diào)制表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，該平臺(tái)在脈沖激光激發(fā)下具備低閾值特性，展示出利用BIC提升Q值、實(shí)現(xiàn)更窄帶選擇性與更低調(diào)制能耗的巨大潛力，為下一代高速、低功耗太赫茲調(diào)控器件奠定基礎(chǔ)。

圖4.低閾值調(diào)制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

南方科技大學(xué)助理研究員凡俊興、上海交通大學(xué)周葉副教授為論文共同第一作者，叢龍慶為論文通訊作者。南科大博士研究生薛占強(qiáng)、博士后許桂珍、碩士研究生陳俊良、博士研究生邢宏陽等亦為本工作作出了重要貢獻(xiàn)。本研究獲得了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、廣東省量子科學(xué)戰(zhàn)略專項(xiàng)、深圳市科技計(jì)劃以及南方科技大學(xué)高水平專項(xiàng)資金等項(xiàng)目的支持。

審核編輯 黃宇