深圳先進院發(fā)現超構表面慢光新原理

1月6日，中科院深圳先進院深圳先進集成技術研究所李光元課題組，在《納米快報》（Nano Letters）上，發(fā)表了題為Ultrahigh-Q Metasurface Transparency Band Induced by Collective-Collective Coupling的研究成果，并被選為封面文章。

針對超構表面采用類電磁輻射透明（EIT）現象實現慢光效應所面臨的高損耗問題，該研究提出了基于晶格共振與晶格共振發(fā)生耦合誘導產生的新型類EIT現象，抑制了其損耗，從而在100納米高度的硅納米柱陣列上實現了慢光效應（光速減慢了1萬多倍）。同時，研究在實驗上測得高達2750的超高品質因子，數倍于現有紀錄（483）。進一步，研究發(fā)現了具有連續(xù)域束縛態(tài)（BIC）特性的集體型類EIT現象，其品質因子和慢光指數在理論上均按照反二次函數發(fā)散到無窮大。這一創(chuàng)新設計為實現超高性能的慢光光子芯片器件提供了新思路。 

光速是宇宙中最快的速度，也是所有物質和信息傳播的速度上限，被認為是無法超越的。真空中的光速c約為30萬公里/秒，是一個物理常數。在狹義相對論中，光速c將時間與空間聯系在一起，也將質量與能量通過質能等價方程E=mc²聯系在一起。根據狹義相對論，當我們的速度接近光速時，時間會變慢，這與古人說的“天上一日，地上一年”吻合。 

光速不能被超越，但能被減慢。例如，光通過玻璃或水之類的介質時速度放緩。將光速減慢，有助于更好地操控光子，進而提升對光信息的獲取、傳輸、處理與緩存的能力以及光傳感、光通信、光路由、光調制和光存儲等相關應用和器件的性能。以生化光子傳感應用為例，當光速減慢后，光的能量密度將增大，從而有效提高傳感靈敏度。因此，如何將光速減慢是研究的關鍵目標之一。 

由于常規(guī)材料的折射率不高，光速減慢有限。為了減慢光速，科學家提出了電磁誘導透明（EIT）、玻色-愛因斯坦凝聚、光子晶體等多種技術來實現強慢光效應。其中，EIT技術是最早實現強慢光效應的方法，其原理是利用原子系統(tǒng)躍遷通道之間的量子相干效應來消除電磁波傳播過程中介質的影響。基于EIT技術，1999年美國哈佛大學Hau等在450nK的超冷原子中實現了17m/s的極慢光速（相當于一名優(yōu)秀運動員的自行車騎行速度）。然而，所有這些強慢光器件的核心限制因素在于：由損耗帶來的緩存時間不足或光與物質相互作用長度不夠的問題。 

作為平面化的人工電磁材料，超構表面被認為是一個“自由操控光的平臺和未來光電器件的顛覆者”。近年來，基于超構表面來模擬EIT現象，成為光子芯片在室溫下產生強慢光效應的研究熱點。然而，受制于超構表面所支持的局域共振的巨大損耗，其慢光性能并不理想。 

李光元課題組致力于探索超構表面的損耗抑制機理，在基于表面晶格共振（SLR）的超高品質因子超構表面的理論設計和實驗性能上取得了一系列進展。以此為基礎，該團隊基于硅納米柱陣列結構所支持的米氏電偶極SLR分別與面內或面外電四偶極SLR之間的干涉耦合，提出了兩種具有集體共振特性的新型類EIT現象，在室溫下實現強慢光效應（光速被減慢1萬倍以上，即30公里/秒以下）的同時，抑制了損耗，從而在實驗上測得破紀錄的品質因子。該原理不同于傳統(tǒng)超構表面類EIT現象：后者基于局域共振之間的干涉耦合，因此需要將兩個獨立的納米結構靠得足夠近來實現，對納米加工能力提出了挑戰(zhàn)，同時，由于局域共振所受的散射損耗較高，導致類EIT現象的品質因子和慢光指數均有限。 

研究顯示，由面內電四偶極SLR與電偶極SLR干涉耦合產生的新型類EIT現象繼承了前者的BIC特性，導致其品質因子與慢光指數在理論上均按照反二次函數發(fā)散到無窮大。此外，通過參數調節(jié)，研究還觀測到由這兩種類EIT現象形成的雙頻EIT帶。 

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傳統(tǒng)超構表面的類EIT現象由局域共振-局域共振耦合或局域共振-晶格共振耦合誘導產生。本研究提出晶格共振-晶格共振耦合產生的新型類EIT現象。 

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由面內電四偶極晶格共振與電偶極晶格共振耦合產生的超構表面類EIT現象繼承了前者的BIC特性，其品質因子和慢光指數均按照反二次函數發(fā)散到無窮大。 

本研究利用晶格共振之間的干涉耦合，在超構表面上實現超高品質因子（即超低損耗）的強慢光效應，有望在光通信、光計算和光存儲等領域光調制器和光緩存器，以及光傳感領域的超高靈敏度傳感器方面獲得應用，并為慢光超構表面硅基光子芯片的設計和研究提供了新思路。 

研究工作得到國家自然科學基金、廣東省自然科學基金和深圳市科技計劃的支持。 

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c04174