深圳先進(jìn)院發(fā)現(xiàn)超構(gòu)表面慢光新原理

1月6日，中科院深圳先進(jìn)院深圳先進(jìn)集成技術(shù)研究所李光元課題組，在《納米快報(bào)》（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(duì)超構(gòu)表面采用類電磁輻射透明（EIT）現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)慢光效應(yīng)所面臨的高損耗問(wèn)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(dǎo)產(chǎn)生的新型類EIT現(xiàn)象，抑制了其損耗，從而在100納米高度的硅納米柱陣列上實(shí)現(xiàn)了慢光效應(yīng)（光速減慢了1萬(wàn)多倍）。同時(shí)，研究在實(shí)驗(yàn)上測(cè)得高達(dá)2750的超高品質(zhì)因子，數(shù)倍于現(xiàn)有紀(jì)錄（483）。進(jìn)一步，研究發(fā)現(xiàn)了具有連續(xù)域束縛態(tài)（BIC）特性的集體型類EIT現(xiàn)象，其品質(zhì)因子和慢光指數(shù)在理論上均按照反二次函數(shù)發(fā)散到無(wú)窮大。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)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(zhì)和信息傳播的速度上限，被認(rèn)為是無(wú)法超越的。真空中的光速c約為30萬(wàn)公里/秒，是一個(gè)物理常數(shù)。在狹義相對(duì)論中，光速c將時(shí)間與空間聯(lián)系在一起，也將質(zhì)量與能量通過(guò)質(zhì)能等價(jià)方程E=mc²聯(lián)系在一起。根據(jù)狹義相對(duì)論，當(dāng)我們的速度接近光速時(shí)，時(shí)間會(huì)變慢，這與古人說(shuō)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(guò)玻璃或水之類的介質(zhì)時(shí)速度放緩。將光速減慢，有助于更好地操控光子，進(jìn)而提升對(duì)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(diào)制和光存儲(chǔ)等相關(guān)應(yīng)用和器件的性能。以生化光子傳感應(yīng)用為例，當(dāng)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(guān)鍵目標(biāo)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(xué)家提出了電磁誘導(dǎo)透明（EIT）、玻色-愛(ài)因斯坦凝聚、光子晶體等多種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)慢光效應(yīng)。其中，EIT技術(shù)是最早實(shí)現(xiàn)強(qiáng)慢光效應(yīng)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(yīng)來(lái)消除電磁波傳播過(guò)程中介質(zhì)的影響�；�于EIT技術(shù)，1999年美國(guó)哈佛大學(xué)Hau等在450nK的超冷原子中實(shí)現(xiàn)了17m/s的極慢光速（相當(dāng)于一名優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的自行車騎行速度）。然而，所有這些強(qiáng)慢光器件的核心限制因素在于：由損耗帶來(lái)的緩存時(shí)間不足或光與物質(zhì)相互作用長(zhǎng)度不夠的問(wèn)題。 

作為平面化的人工電磁材料，超構(gòu)表面被認(rèn)為是一個(gè)“自由操控光的平臺(tái)和未來(lái)光電器件的顛覆者”。近年來(lái)，基于超構(gòu)表面來(lái)模擬EIT現(xiàn)象，成為光子芯片在室溫下產(chǎn)生強(qiáng)慢光效應(yīng)的研究熱點(diǎn)。然而，受制于超構(gòu)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(gòu)表面的損耗抑制機(jī)理，在基于表面晶格共振（SLR）的超高品質(zhì)因子超構(gòu)表面的理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)性能上取得了一系列進(jìn)展。以此為基礎(chǔ)，該團(tuán)隊(duì)基于硅納米柱陣列結(jié)構(gòu)所支持的米氏電偶極SLR分別與面內(nèi)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(xiàn)象，在室溫下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)慢光效應(yīng)（光速被減慢1萬(wàn)倍以上，即30公里/秒以下）的同時(shí)，抑制了損耗，從而在實(shí)驗(yàn)上測(cè)得破紀(jì)錄的品質(zhì)因子。該原理不同于傳統(tǒng)超構(gòu)表面類EIT現(xiàn)象：后者基于局域共振之間的干涉耦合，因此需要將兩個(gè)獨(dú)立的納米結(jié)構(gòu)靠得足夠近來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)納米加工能力提出了挑戰(zhàn)，同時(shí)，由于局域共振所受的散射損耗較高，導(dǎo)致類EIT現(xiàn)象的品質(zhì)因子和慢光指數(shù)均有限。 

研究顯示，由面內(nèi)電四偶極SLR與電偶極SLR干涉耦合產(chǎn)生的新型類EIT現(xiàn)象繼承了前者的BIC特性，導(dǎo)致其品質(zhì)因子與慢光指數(shù)在理論上均按照反二次函數(shù)發(fā)散到無(wú)窮大。此外，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)，研究還觀測(cè)到由這兩種類EIT現(xiàn)象形成的雙頻EIT帶。 

圖片:W020240109343624549973.png

傳統(tǒng)超構(gòu)表面的類EIT現(xiàn)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(dǎo)產(chǎn)生。本研究提出晶格共振-晶格共振耦合產(chǎn)生的新型類EIT現(xiàn)象。 

圖片:W020240109343012531059.png

由面內(nèi)電四偶極晶格共振與電偶極晶格共振耦合產(chǎn)生的超構(gòu)表面類EIT現(xiàn)象繼承了前者的BIC特性，其品質(zhì)因子和慢光指數(shù)均按照反二次函數(shù)發(fā)散到無(wú)窮大。 

本研究利用晶格共振之間的干涉耦合，在超構(gòu)表面上實(shí)現(xiàn)超高品質(zhì)因子（即超低損耗）的強(qiáng)慢光效應(yīng)，有望在光通信、光計(jì)算和光存儲(chǔ)等領(lǐng)域光調(diào)制器和光緩存器，以及光傳感領(lǐng)域的超高靈敏度傳感器方面獲得應(yīng)用，并為慢光超構(gòu)表面硅基光子芯片的設(shè)計(jì)和研究提供了新思路。 

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金和深圳市科技計(jì)劃的支持。 

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