太赫兹波段连续体束缚态（BIC）在金属超表面中的研究与应用

作者及发表信息
本研究由Xiaoguang Zhao（波士顿大学）、Chunxu Chen（波士顿大学）、Kelson Kaj（加州大学圣地亚哥分校）等合作完成，通讯作者为Xin Zhang（波士顿大学）和Richard D. Averitt（加州大学圣地亚哥分校）。论文题为《Terahertz Investigation of Bound States in the Continuum of Metallic Metasurfaces》，于2020年11月发表在Optica期刊（Vol. 7, No. 11）。

学术背景
连续体束缚态（Bound States in the Continuum, BIC）是一种理论上零辐射损耗的物理系统，其共振模式具有无限高的品质因子（Q因子）和无限长的寿命。BIC在光子学领域具有重要潜力，可应用于传感、激光和非线性光学等方向。然而，理想BIC无法通过远场激发观测，需通过结构扰动引入“准BIC”（quasi-BIC）以实现高Q共振。此前，BIC研究主要集中在介电材料超表面（metasurface），而金属超表面的BIC研究较少，尤其是基于参数调谐的“偶然性BIC”（accidental BIC）。本研究通过耦合共振理论，在对称性金属超表面中实现了Friedrich-Wintgen型BIC，并验证了其互补超表面（CMS）的Babinet原理适用性。

研究流程与方法
1. 理论模型构建
研究基于时域耦合模理论（Temporal Coupled Mode Theory, CMT），建立双模耦合系统模型（LC模式与偶极模式）。通过调节结构参数（如间隙尺寸g），使系统满足Friedrich-Wintgen条件（即辐射损耗相消），实现BIC。模型通过传输系数计算和本征值分析，预测了高Q Fano共振的演化过程。

1. 超表面设计与制备

   • 金属超表面（MS）：采用裂环谐振器（split-ring resonator）结构，通过光刻技术在5微米厚聚酰亚胺薄膜上制备。通过调节中心间隙（g=2–30 μm）控制LC模式频率，偶极模式频率保持稳定。
     
   • 互补超表面（CMS）：通过Babinet原理设计，将金属与空隙区域互换，保留相同几何尺寸。
     

2. 实验与仿真验证

   • 太赫兹时域光谱（THz-TDS）：测量MS和CMS的传输谱，实验显示g=4 μm时MS的准BIC模式Q因子达20，CMS在g=30 μm时Q因子为15。
     
   • 有限元仿真（CST Studio）：验证电流分布与场增强效应，确认LC模式与偶极模式的耦合机制。
     

3. 数据分析与模型拟合
   通过CMT拟合实验数据，引入非辐射损耗（如金属欧姆损耗）修正理论模型。结果显示，BIC点（MS: g=14 μm；CMS: g=4 μm）附近传输峰消失，符合Friedrich-Wintgen条件。

主要结果
1. 准BIC的实现
- MS中，g=4 μm时观测到0.6 THz的Fano共振峰（传输率51%，Q~20），随g增大，共振峰消失于BIC点（g=14 μm），随后重现（Q=27）。
- CMS中，BIC点出现在g=4 μm，表现为传输极小值消失，验证了耦合磁模式的类似行为。

1. Babinet原理的适用性
   理论要求MS与CMS的传输系数之和为1，但实验显示偏差。CMT分析表明，金属损耗和介质基底导致模式频率偏移，使Babinet原理仅定性成立。

2. 场增强效应

   • MS在准BIC模式下（g=2 μm）实现120倍电场增强，CMS实现100倍磁场增强，BIC点处场增强消失（因无法耦合激发）。
     

结论与意义
1. 科学价值
- 首次在对称性金属超表面中通过参数调谐实现偶然性BIC，突破了传统对称性保护BIC的限制。
- 揭示了CMT模型在损耗系统中的应用潜力，为高Q太赫兹器件设计提供理论工具。

1. 应用价值
   
   • 准BIC可作为高Q太赫兹滤波器、传感器或激光腔体；电场/磁场增强效应适用于非线性光学和分子检测。
     
   • 超薄柔性超表面设计为可穿戴太赫兹器件奠定基础。
     

研究亮点
1. 创新性方法：通过非对称性破坏的耦合共振实现BIC，避免了复杂对称性设计。
2. 跨平台验证：同时研究MS与CMS，系统性分析Babinet原理的局限性。
3. 多尺度建模：结合CMT解析模型与全波仿真，精确预测实验现象。

其他发现
近场光谱比远场更能清晰表征BIC条件，为后续实验提供优化方向。研究框架可扩展至光子晶体、声学超材料等领域。