深圳先進院發(fā)現(xiàn)超構(gòu)表面慢光新原理

1月6日，中科院深圳先進院深圳先進集成技術(shù)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(gòu)表面采用類電磁輻射透明（EIT）現(xiàn)象實現(xiàn)慢光效應(yīng)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(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現(xiàn)了慢光效應(yīng)（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(zhì)因子，數(shù)倍于現(xiàn)有紀錄（483）。進一步，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)散到無窮大。這一創(chuàng)新設(shè)計為實現(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(shù)。在狹義相對論中，光速c將時間與空間聯(lián)系在一起，也將質(zhì)量與能量通過質(zhì)能等價方程E=mc²聯(lián)系在一起。根據(jù)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(zhì)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(diào)制和光存儲等相關(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(dǎo)透明（EIT）、玻色-愛因斯坦凝聚、光子晶體等多種技術(shù)來實現(xiàn)強慢光效應(yīng)。其中，EIT技術(shù)是最早實現(xiàn)強慢光效應(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)來消除電磁波傳播過程中介質(zhì)的影響�；�于EIT技術(shù)，1999年美國哈佛大學Hau等在450nK的超冷原子中實現(xiàn)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(zhì)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(gòu)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(gòu)表面來模擬EIT現(xiàn)象，成為光子芯片在室溫下產(chǎn)生強慢光效應(yīng)的研究熱點。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)計和實驗性能上取得了一系列進展。以此為基礎(chǔ)，該團隊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，在室溫下實現(xiàn)強慢光效應(yīng)（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(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，因此需要將兩個獨立的納米結(jié)構(gòu)靠得足夠近來實現(xiàn)，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(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)散到無窮大。此外，通過參數(shù)調(diào)節(jié)，研究還觀測到由這兩種類EIT現(xiàn)象形成的雙頻EIT帶。 

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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。 

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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)表面上實現(xiàn)超高品質(zhì)因子（即超低損耗）的強慢光效應(yīng)，有望在光通信、光計算和光存儲等領(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