近日，由Izzatjon Allayarov、Vittorio Aita、Diane J. Roth、Boaz van Casteren、Anton Yu. Bykov、Andrey B. Evlyukhin、Anatoly V. Zayats和Antonio Calà Lesina等作者组成的国际研究团队，在权威期刊Light: Science & Applications 上发表了题为“Strong coupling of collective optical resonances in dielectric metasurfaces”的研究论文。该论文于2025年在线发表，是光学超表面领域的一项重要原创性研究成果，旨在揭示并操控介电超表面中不同性质的集体光学共振模式之间的耦合与杂化现象。

这项研究的学术背景聚焦于纳米光子学与超表面技术。光学超表面因其能够以前所未有的自由度操控光波前而备受关注。近年来，支持高品质因数（high quality factor, Q）集体共振的介电超表面，例如表面晶格共振（Surface Lattice Resonances, SLRs）和连续域中的准束缚态（quasi-Bound States in the Continuum, quasi-BICs），得到了广泛研究。这些共振因其光谱选择性、场增强效应和可调控的高Q值，在激光、传感、非线性光学和量子光源等技术应用中展现出巨大潜力。研究的前沿挑战之一是通过超表面基本共振模式之间的耦合与杂化来剪裁光与物质的相互作用。虽然已有研究展示了各种共振模式之间的强耦合现象，但不同性质的集体共振之间的相互作用至今尚未被观察到。因此，本研究的核心目标正是要填补这一空白，首次在理论上、数值模拟和实验上，系统性地论证和演示介电超表面中受对称性保护的准BIC（quasi-symmetry-protected BIC， quasi-sBIC）与SLR之间的耦合与杂化。

研究的详细工作流程包含了理论建模、数值模拟、样品制备、实验表征和综合分析等多个紧密衔接的环节。首先，研究团队设计了一种特定的介电超表面作为研究对象。该超表面由多晶硅纳米圆盘组成，具体参数为：直径220纳米，高度100纳米，以440纳米的周期排列成正方形阵列，整体阵列尺寸为100×100平方微米。纳米圆盘通过电子束光刻技术在折射率为1.45的玻璃衬底上的100纳米厚硅薄膜中制备而成。这种设计旨在同时激发SLR和准BIC模式。其次，在理论分析方面，研究者们采用了耦合偶极子模型（Coupled-Dipole Model, CDM）。尽管存在其他理论方法，但CDM因其能够清晰地解析各向异性或各向同性超原子的光学响应而被选用。该模型通过引入描述电偶极子（electric dipole, ED）和磁偶极子（magnetic dipole, MD）相互作用的晶格求和参数与耦合参数，可以精确计算无限大超表面在均匀或非均匀环境下的透射和反射系数。尤为重要的是，该模型允许研究者通过“开启”或“关闭”特定的耦合参数，来孤立地研究ED-MD相互作用对观测现象的具体贡献，这为理解耦合机制提供了强大的分析工具。第三，为了全面预测和解释实验结果，研究进行了大规模的数值模拟。他们使用了商业软件Ansys Lumerical，其中单盘散射特性采用时域有限差分法（FDTD）计算，而周期性阵列的光谱响应则采用严格耦合波分析（RCWA）进行计算。模拟条件严格匹配实验参数，包括不同的入射角、偏振态（横向电偏振TE和横向磁偏振TM）以及不同的覆盖层环境（空气、水、甘油）。第四，实验部分是本研究的核心验证环节。团队搭建了一套高度定制化的桌面光谱测量系统。该系统允许精确、独立地控制入射光的角度和偏振态，并能够通过一个玻璃样品池方便地更换超表面的覆盖层介质。测量时，将制备好的超表面样品浸入不同的介质中，使用卤素灯作为宽带光源，通过一系列棱镜精确控制偏振态，然后测量不同入射角下的透射光谱和反射光谱。这套系统的创新之处在于其精密的机械对准和偏振控制能力，确保了角度分辨光谱测量的准确性和重复性。第五，数据分析与综合环节。研究者将实验测得的光谱数据与CDM理论预测以及全波数值模拟的结果进行系统性对比。他们不仅关注光谱特征（如共振峰位置、线宽、反交叉间隙）的吻合度，还通过分析CDM计算出的各个偶极矩分量的大小和相位，以及数值模拟得到的近场分布，来深入阐释观测到的物理现象背后的微观机制。

研究取得了一系列明确且相互印证的重要结果。首先，在均匀环境（甘油覆盖，折射率与衬底匹配）下，TE偏振入射光照射时，实验和模拟均观察到了SLR与准sBIC共振之间清晰的反交叉现象，即所谓的拉比分裂。透射谱中出现了一个反射被抑制的光谱带δλ，其宽度由耦合强度决定。测量得到的拉比分裂能量约为130 meV（对应波长分裂约65纳米）。强耦合条件通过两个标准系数c1和c2（均大于1）得到了定量验证。与此对应，电场分布图显示，在反交叉区域形成了两种杂化模式，一种模式主要贡献来自SLR，另一种主要来自准sBIC，而在它们之间则存在一种SLR与准sBIC混合的模式，其近场强度相对较低，这符合强耦合区域能量在杂化模式间重新分配的特征。其次，在TM偏振入射下，实验观测到了完全不同的现象：没有出现反交叉，但观察到了一个在特定入射角（约20度）下出现、消失而后又重现的极其尖锐的透射特征。理论分析证实，这是一个意外束缚态。重要的是，研究通过CDM模拟揭示，这一abic的形成源于SLR与准sBIC模式在弱耦合机制下的近场能量交换，是两种集体模式杂化的直接结果。这与之前将abic简单归因于单个超原子内多极子干涉的解释有本质不同。第三，研究团队成功地展示了通过改变超表面周围环境来调控耦合强度的能力。当将覆盖层从匹配的甘油改为水或空气时，由于衬底与覆盖层之间的折射率失配，SLR与准BIC模式的谱间距发生变化。实验结果表明，TE偏振下的反交叉分裂宽度随之改变（空气、水、甘油下的分裂分别为30纳米、60纳米和65纳米），而TM偏振下的abic特征则在失配增大时完全消失。这证明耦合机制对环境敏感，为动态调谐提供了途径。第四，所有的实验结果都与CDM理论预测以及全波数值模拟结果表现出极佳的一致性。这不仅验证了CDM模型在描述此类复杂耦合系统时的有效性，也强有力地支持了所有观测现象背后的物理解释——即它们都源自于介电超原子间通过集体晶格效应耦合起来的ED与MD模式之间的相互作用。

基于以上结果，本研究得出了明确的结论：在支持SLR和BIC模式的介电超表面中，首次在理论和实验上证实了不同性质的集体非局域共振之间存在可控的耦合与杂化。具体而言，在TE偏振激励下，系统进入了强耦合区，产生了具有拉比分裂的杂化模式；而在TM偏振激励下，系统处于弱耦合区，通过能量交换导致了意外束缚态的形成。这项研究的科学价值在于，它为理解介电超表面中复杂的多极子相互作用和集体模式杂化提供了一个清晰的理论框架和实验范例。所应用的耦合偶极子模型是分析此类问题的有力工具。在应用价值方面，这项工作为设计具有目标光学响应的超表面开辟了新途径。通过控制入射角、偏振和周围环境，可以动态调控耦合强度和杂化模式的性质，进而实现对近场增强、光谱选择性和非线性光学响应等特性的精细操控。这在可调谐纳米光子器件、高灵敏度生物传感、低阈值激光器以及量子光源生成等领域具有广阔的应用前景。

本研究的亮点突出体现在以下几个方面。第一，首创性发现：首次在实验上观测并理论上阐释了介电超表面中准对称保护BIC与表面晶格共振这两种不同性质集体模式之间的耦合，填补了该领域的研究空白。第二，现象的全面揭示：不仅展示了强耦合导致的反交叉，还揭示了弱耦合导致意外BIC形成的新机制，深化了对BIC物理本质的理解。第三，方法的系统性：结合了严谨的理论建模、精确的数值模拟和可靠的实验验证，三位一体，使结论非常坚实。第四，高度的可控性：明确展示了通过偏振、角度和环境等多种“开关”对耦合效应进行调控的能力，突出了其在可重构光子器件中的应用潜力。第五，模型的强大解释力：所采用的耦合偶极子模型成功分解并量化了各个偶极分量的贡献，使复杂的集体耦合现象得以在微观层面被清晰理解。

此外，论文还提供了丰富的补充信息，包括详细的样品制备方法、实验装置示意图、数值模拟参数以及更多的数据分析图，这些内容为其他研究者复现和深入理解本工作提供了充分的支持。这项研究是关于光学超表面中集体模式相互作用的一项奠基性工作，它不仅增进了基础科学认知，也为未来基于模式杂化的高性能纳米光子器件的设计奠定了重要基础。