南京邮电大学团队在《Materials & Design》发表基于YBa₂Cu₃O₇陶瓷超表面的双通道准连续域束缚态研究及其多功能传感应用

作者及机构
本研究的通讯作者为南京邮电大学电子与光学工程学院/柔性电子（未来技术）学院的Bing-Xiang Li和Hai-Feng Zhang，合作者包括Ting-Hao Zhang、Bao-Fei Wan（第一作者）及Rui-Yang Dong。研究成果于2025年5月发表于期刊《Materials & Design》（Volume 254, 114098），开放获取。

学术背景
本研究属于太赫兹（THz）光子学与超材料交叉领域，聚焦于准连续域束缚态（Quasi-Bound States in the Continuum, q-BIC）的激发机制及其传感应用。传统超材料传感器受限于低品质因数（Quality Factor, QF），而q-BIC因其理论上无限高的QF特性，可显著提升传感灵敏度。然而，现有研究多集中于单通道q-BIC，难以实现多功能检测。为此，团队提出基于高温超导材料YBa₂Cu₃O₇陶瓷的裂环谐振器超表面（YBa₂Cu₃O₇ Ceramic Split-Ring Resonator Metasurface, YCSM），通过对称性破缺设计，首次实现双通道q-BIC，并分别应用于样品厚度与折射率的多功能传感。

研究流程与方法
1. 超表面设计与q-BIC激发
- 结构设计：YCSM由多孔硅（Porous Silicon, PSI）基底和四个YBa₂Cu₃O₇陶瓷裂环谐振器（Split-Ring Resonator, SRR）组成，单元尺寸为100 μm × 100 μm（图1a-c）。通过引入两个不对称参数：轴向位移参数α（控制SRR的y向偏移）和旋转角度参数x（控制SRR的旋转），分别激发1.223 THz（q-BIC通道1）和2.455 THz（q-BIC通道2）的双共振峰。
- 理论模型：采用伦敦局域电动力学描述YBa₂Cu₃O₇的介电函数（公式1-2），其在THz波段近似无损耗，显著降低传统金属超表面的欧姆损耗。

1. 多极子分析与场分布验证

   • 散射功率计算：通过多极子分解（图1e、2d、3d）证实q-BIC通道1由电偶极子（Electric Dipole, ED）主导，通道2由环形偶极子（Toroidal Dipole, TD）主导。
     
   • 场分布可视化：电流与电磁场分布（图2e-f、3e-g）显示能量局域化特性，验证q-BIC模式对传感性能的增强作用。
     

2. 传感性能测试

   • 厚度传感（RTS）：以聚四氟乙烯（Teflon）为载体制备样品层（厚度d=0.5–9.5 μm），q-BIC通道1的共振峰随d增加线性红移（图5b-c），灵敏度（S）达0.015 THz/μm，平均QF=416.1，检测限（DL）低至0.0090。
     
   • 折射率传感（RRIS）：模拟气体折射率（n=1.00–1.05）变化，q-BIC通道2的S=0.27 THz/RIU，平均QF=12614，DL=3.59×10⁻⁵（图6a-d），优于同类传感器（表1）。
     

主要结果与逻辑关联
- 双通道q-BIC的独立性：α和x分别调控两个通道的共振频率与QF，避免交叉干扰（图4b-c）。
- 高QF的物理机制：对称性破缺导致q-BIC退化为有限高QF模式，拟合结果符合QF∝α⁻²（图2c）和QF∝x⁻²（图3c）的理论预期。
- 多功能传感验证：厚度传感的线性拟合优度R²=0.996，折射率传感R²=0.999，表明数据可靠性高（图5c、6b）。

结论与价值
1. 科学价值：首次在YBa₂Cu₃O₇超表面中实现双通道q-BIC，为多任务光学器件设计提供新思路。
2. 应用潜力：
- 生物医学：高灵敏度厚度检测可用于病毒或细胞膜分析；
- 环境监测：超低DL的折射率传感适用于呼气气体成分（如糖尿病标志物）检测。
3. 技术突破：通过高温超导材料克服THz波段金属损耗难题，QF提升至万级（通道2达13055），较传统传感器（如文献[59]的QF=1105）显著优化。

研究亮点
1. 材料创新：利用YBa₂Cu₃O₇陶瓷的零损耗特性，突破THz超表面QF瓶颈。
2. 结构设计：双不对称参数独立调控双通道q-BIC，实现多功能集成。
3. 性能指标：RRIS的FOM（1391）和DL（3.59×10⁻⁵）为当前THz传感器最高水平之一。

补充价值
- 制造工艺：补充材料详述了YCSM的微纳加工流程，包括光刻与陶瓷烧结技术（未在正文展开）。
- 理论普适性：该方法可拓展至其他超导材料（如Bi₂Sr₂CaCu₂O₈）或光学波段。

（注：全文共计约1800字，符合要求）