近日，物理学院应用物理系伏洋洋教授与苏州大学徐亚东教授、苏州城市学院高雷副校长等合作，在等离激元单粒子结构中发现了连续谱中束缚态（BIC）。这类BIC物理上源于金属微结构中局域表面等离激元（SLSP）的干涉相消，该效应可以出现在多个角动量通道中且完全简并。该BIC与传统SLSP是一对孪生本征态：SLSP是这对本征态中亮模（bright mode），而BIC是暗模（dark mode），如同硬币的正反面一样。该工作将光学BIC研究拓展到亚波长范畴，促进了对等离激元微结构中局域态的深入理解，有望为突破衍射极限以及增强光与物质相互作用提供了新途径。研究成果以“Plasmonic Bound States in the Continuum in Compact Nanostructures”题发表在国际知名期刊《Advanced Optical Materials》上，伏洋洋教授、徐亚东教授以及高雷教授为论文的通讯作者。
研究背景与创新思路
近年来，连续谱中束缚态（BIC）由于其深刻的波物理性质而引起了人们的广泛关注。非存在理论[Nat. Rev. Mater. 1, 16048 (2016)]表明，除了被完全不透明材料或零折射率材料包围的结构外，BIC通常不存在于单粒子系统中。然而，利用完全不透明材料是无意义的，因为其无法实现内外环境的能量交换，而零折射率材料由于窄频响应和材料损耗存在，严重阻碍了基于BIC的相关应用。利用高折射率介电纳米结构，通过谐振腔模式的共振交叉可以获得高Q因子共振模态，是一个实现BIC的有效手段。然而，这些近似正交的腔模无法实现完全干涉相消，因此只能得到有限Q因子的准BIC。目前，在单粒子系统中实现真正的光学BIC仍然是一项具有挑战性的任务，这对于基于BIC的紧凑光学器件设计与开发具有重要价值。
图1. 纹理化金属圆柱中的等离激元BIC 。(a) 结构示意图。(b)二维金属结构散射截面的解析结果。
研究团队基于人工局域表面等离激元（SLSP）结构[PRL 108, 223905 (2012)]，通过改变凹槽深度打破近邻槽的对称性，揭示了基于SLSP人工金属结构实现BIC的新思路。图1a为结构示意图，两个不同深度的槽（G1和G2）交替排列在金属圆柱表面，其中G1槽尺寸不变（r1 = 0.40R），而G2槽深（r2）可变化。当TM（磁场沿z方向）平面波入射到2D结构上，通过散射截面的解析计算（图1b）可以看到两个散射峰的反交叉行为。高频模式的线宽较窄（高Q共振），低频模式的线宽较宽（低Q共振）。当r2 = 0.40R时(结构具有对称性)，高频带线宽消失，散射谱中只能看到SLSP共振。由于BIC的线宽为零，以往的SLSP研究忽略了这类结构中还存在BIC。进一步地，模拟结果验证了理论解析的准确性（图2a），且准BIC的比传统的SLSP有着更好的场增强效果（图2c），这在传感器、激光器和非线性光学中具有重要的应用价值。图2c展示了了最低阶三个角动量通道（OAM）的高Q共振的本征频率演变情况，在r2 = 0.40R处三个模式都是BIC（图2d）且完全简并。这种完全简并行为是由于金属结构的极端各向异性引起的，使得所有通道的BIC的径向共振都坍缩到最低阶模式，但它们的角向特性依旧保留。
图2. 多极BIC简并。(a) 散射截面。(b) SLSP和准BIC的场增强效果。（c）多个OAM通道的BIC且在r2=0.4R处完全简并。（d）为c中Q因子。
金属结构中两类沟槽可以支持两个独立的SLSP共振模式，随着沟槽深度逐渐接近，这两个SLSP模式会发生反交叉耦合（图3a）。当金属结构完全对称时（r1=r2）,两个SLSP反相位耦合实现干涉相消，导致BIC的产生；两个SLSP同相位耦合则对应于传统SLSP共振态。该BIC与传统SLSP可以视为一对孪生共振态：SLSP是这对本征态中亮模（bright mode），具有辐射特性；而BIC是暗模（dark mode），因此消失在散射谱中 (图3b)。此外，文章还详细讨论了一系列有限长度的金属圆柱，由于三维结构中也支持SLSP， BIC也存在于三维金属单粒子结构中。
图3. BIC产生的物理机制。(a) 在m = 0通道中的两个SLSP模式耦合。(b)金属结构中的本征模式演变。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202201590.
