雙層光學(xué)超表面中相消干涉驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浜商?| 進(jìn)展

在光學(xué)超表面中，連續(xù)域束縛態(tài)（BIC）作為一種動(dòng)量空間中的偏振渦旋奇點(diǎn)，攜帶整數(shù)化拓?fù)浜啥宫F(xiàn)出豐富的拓?fù)涔鈱W(xué)性質(zhì)，且理論上具有無(wú)限大的品質(zhì)因子（Q值），為實(shí)現(xiàn)超低閾值激光、超高靈敏度傳感及光場(chǎng)操控提供了理想平臺(tái)。BIC的拓?fù)湫再|(zhì)受到對(duì)稱(chēng)性的嚴(yán)格約束，不同的對(duì)稱(chēng)性通常對(duì)應(yīng)不同的拓?fù)浜桑壳皥?bào)道的研究工作主要聚焦于對(duì)稱(chēng)性所允許的特定拓?fù)浜伞Ｈ欢粋€(gè)常被忽略的事實(shí)是：在同一對(duì)稱(chēng)性保護(hù)下，BIC允許多重拓?fù)浜傻拇嬖凇Ｒ虼耍?strong>如何在保持結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性不變的條件下，實(shí)現(xiàn)BIC拓?fù)浜蓮牡碗A到高階的動(dòng)態(tài)調(diào)控，仍是光學(xué)超表面領(lǐng)域中一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心微加工實(shí)驗(yàn)室李俊杰研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種具有三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性的雙層二氧化鈦光學(xué)超表面，僅需調(diào)節(jié)兩層超表面間隔層厚度，即可直接誘導(dǎo)BIC拓?fù)浜砂l(fā)生從低階（+1）到高階（-2）的躍變，而無(wú)需打破結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性。團(tuán)隊(duì)采用微擾理論嚴(yán)格解析了近BIC共振態(tài)的遠(yuǎn)場(chǎng)偏振矢量，揭示了實(shí)現(xiàn)拓?fù)滠S遷的物理機(jī)制：當(dāng)間隔層厚度滿(mǎn)足特定條件時(shí)，上下兩層結(jié)構(gòu)荷載的準(zhǔn)BIC輻射態(tài)會(huì)發(fā)生相消干涉。這種干涉不僅直接觸發(fā)了拓?fù)浜傻奶儯瑫r(shí)抑制能量耗散，使近BIC共振態(tài)Q值大幅度提升。在實(shí)驗(yàn)上，團(tuán)隊(duì)采用電子束光刻套刻與旋涂玻璃（SOG）間隔層工藝，成功制備出對(duì)準(zhǔn)精度極高的雙層超表面樣品，并通過(guò)角分辨反射光譜測(cè)量清晰地觀(guān)測(cè)到了拓?fù)浜绍S遷對(duì)應(yīng)的光譜特征，同時(shí)驗(yàn)證了相消干涉對(duì)諧振模式Q值的顯著增強(qiáng)效應(yīng)。

圖a雙層氧化鈦超表面示意圖；b共振態(tài)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射相消干涉理論預(yù)測(cè)；c不同厚度中間層超表面共振態(tài)在動(dòng)量空間中遠(yuǎn)場(chǎng)偏振矢量分布；d套刻工藝加工的雙層超表面；e，f實(shí)驗(yàn)測(cè)量的角分辨反射光譜

該工作首次在光學(xué)超表面中實(shí)現(xiàn)了保持對(duì)稱(chēng)性不變的BIC拓?fù)浜蓜?dòng)態(tài)操控，突破了以往必須通過(guò)打破對(duì)稱(chēng)性來(lái)調(diào)控拓?fù)湫再|(zhì)的固有觀(guān)念，為探索光學(xué)超表面的新奇拓?fù)涔鈱W(xué)特性提供了新方案。

相關(guān)研究成果以“Destructive Interference Mediated Topological Transitions in Bilayer Metasurfaces”為題發(fā)表于Physical Review Letters136, 043801 (2026) 上。中國(guó)科學(xué)院物理研究所微加工實(shí)驗(yàn)室的王博副研究員為論文第一作者，潘如豪副研究員和李俊杰研究員為共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃及懷柔綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置的支持。文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/646c-jc6s

編輯：韶音