基于连续体中准束缚态的手性平面超表面实现光子自旋选择性完美吸收的研究报告

第一作者及机构
本研究的通讯作者为合肥工业大学（Hefei University of Technology）物理学院的Qin Meng（邮箱：qinm@hfut.edu.cn），合作单位包括九江大学（Jiujiang University）和广东技术师范大学（Guangdong Polytechnic Normal University）。研究成果发表于Nanoscale期刊（2023年15卷，6636-6644页），于2023年1月4日收稿，3月1日接受，DOI编号10.1039/D3NR00055A。

学术背景
本研究属于纳米光子学领域，聚焦于光学超表面（metasurface）的设计与应用。传统金属基手性超材料存在欧姆损耗高、品质因子（Q-factor）低、手性不可调等问题。为解决这些挑战，作者提出了一种全介质平面手性超表面，通过连续体中束缚态（Bound States in the Continuum, BIC）的物理机制，实现了高Q值共振与选择性手性的结合。研究目标包括：
1. 理论设计并数值验证一种支持对称性保护BIC的平面手性超表面；
2. 通过打破面内镜像对称性，实现手性准BIC（Quasi-BIC, Q-BIC）共振；
3. 利用单端口临界耦合（critical coupling）实现圆偏振光的近乎完美选择性吸收；
4. 探索通过入射光方位角动态调控手性符号的方法。

研究流程与方法
1. 超表面设计与对称性分析
- 结构设计：超表面单元由两对正交交错排列的硅棒组成（图1），通过调节硅棒宽度（w₁=260 nm, w₂=148 nm）、长度（l₁=l₂=330 nm）、厚度（h=360 nm）和周期（a=800 nm），保留绕z轴的π旋转对称性（C₂ᶻ）和上下镜像对称性（σᶻ），但打破面内镜像对称性。
- 对称性验证：通过COMSOL Multiphysics软件的本征频率分析，确认TM₁模式在γ点（第一布里渊区中心）存在Q因子发散的对称性保护BIC（图2a-b）。

1. 手性Q-BIC的激发与表征

   • 倾斜入射调控：当入射角θ≠0°时，BIC退化为Q-BIC，同时因面内对称性破缺产生强外禀手性（extrinsic chirality）。通过单端口临界耦合条件（γ=δ，γ为辐射损耗率，δ为耗散损耗率），实现左旋圆偏振光（LCP）近乎完美吸收（吸收率>99%），而右旋圆偏振光（RCP）非共振反射（图3-4）。
     
   • 手性动态调控：利用γ点周围本征偏振的周期性螺旋性符号翻转（图2c），仅通过改变入射光方位角φ即可反转圆二色性（Circular Dichroism, CD）的符号（图4i），CD峰值达0.812。
     

2. 多极子分解与耦合模理论验证

   • 多极子贡献分析：通过位移电流密度计算电偶极子（ED）、磁偶极子（MD）、环形偶极子（TD）等五类多极矩的散射功率，证实Q-BIC共振主要由MD主导（图5a-b）。
     
   • 耦合模理论拟合：临界耦合条件（θ=10.4°）下，吸收谱与理论预测高度吻合（图5d），验证了辐射Q因子（Qᵧ）与θ⁻²的反比关系（图5f）。
     

主要结果
1. BIC到Q-BIC的转化：在θ=10°、φ=0°时，LCP光在1581 nm处吸收率达99.5%，而RCP光反射率>95%（图4a-b）。
2. 手性动态切换：当φ从0°变为90°时，吸收特性反转（RCP吸收、LCP反射），CD符号随之翻转（图4f）。
3. 结构鲁棒性：硅棒宽度w₁和高度h主要调控共振波长，而周期a和长度l₁对共振影响较小（图6），表明设计对加工误差具有一定容错性。

结论与价值
1. 科学价值：首次将对称性保护BIC与手性响应结合，提出“手性Q-BIC”新机制，为高Q值手性超表面设计提供了普适性框架。
2. 应用潜力：可应用于光学滤波器、偏振探测器、手性成像等领域，其动态手性调控特性避免了传统方法需重构结构的局限性。
3. 方法创新：通过几何参数与入射角/方位角的协同调控，实现了“单一结构、多重新功能”的设计理念。

研究亮点
1. 物理机制创新：揭示了BIC涡旋偏振奇点周围非零螺旋性本征偏振与手性响应的关联性。
2. 技术突破：CD值（0.812）和Q因子（>10⁴）均优于多数金属基手性超材料。
3. 动态调控策略：仅通过改变入射光方位角即可切换手性符号，为主动光学器件设计开辟新途径。

其他有价值内容
1. 实验可行性：作者指出，现有电子束光刻结合沉积-刻蚀工艺可制备该硅超表面（见“Conclusions”部分）。
2. 理论普适性：耦合模理论与多极子分解的结果一致性（图5d）验证了手性Q-BIC机制的可靠性。