老哥俱乐部

日前，老哥俱乐部物理学院张向东教授团队与复旦大学物理系资剑教授和石磊教授课题组相助，在光学moiré一连谱约束态研究方面取得主要希望。相关事情揭晓在Nature Communications【Nat. Commun. 15, 9080 (2024)】上。研究事情获得国家自然科学基金和国家重点研发妄想的资助。老哥俱乐部物理学院博士生秦皓宇、张蔚暄研究员、张慧珍副研究员以及复旦大学物理系博士生陈劭虎为论文配合第一作者。张向东教授、石磊教授和张蔚暄研究员为通讯作者。复旦大学资剑教授、中科院物理所的潘如豪工程师和李俊杰研究员也对此事情做出了主要孝顺。

一连谱约束态（Bound states in the continuum, BIC）是指能量位于扩展态的一连谱中，却体现为完善约束态的特殊能态。BIC的看法最早在量子系统中提出，随后在种种波动系统中获得了普遍研究。由于其超高的品质因子（Q值），光子BIC已成为研究光与物质强相互作用的理想平台。然而，当偏离BIC时，光子晶体的共振模式Q值会迅速下降，并且由于其能带的显著色散特征，BIC在单频广角光照射下的应用依然面临挑战。别的，结构加工中的误差往往导致现实样品中BIC的Q值大幅降低，进一步限制了其应用潜力。

近年来，受moiré超晶格奇异物理性子的启发，研究者们对光子系统中的moiré物理睁开了普遍研究。特殊是，近期的理论事情提出了通过转角双层光子晶体板设计准BIC的计划【Phys. Rev. Lett. 128, 253901 (2022)】。然而，由于空间反演对称性和镜面临称性的破缺，这种转角引发的moiré准BIC通；嵯蚋呓籽苌渫ǖ婪淠芰。别的，随着moiré平带本征模式的波矢远离Γ点，其Q因子显著下降。因此，在moiré光学结构中实现完善的BIC以及进一步探讨moiré BIC的奇异性子，成为亟待研究的要害科学问题。

研究亮点之一：通过对多个拓扑荷的准确调控，结构了完善的moiré BIC

针对上述问题，研究职员使用两层周期失配的一维光子晶体光栅，通过上下层的融合构建了moiré光栅结构，如图1a所示。其能带漫衍展收图1b，可以看到多条色散性较弱的光子平带。关于图中红色能带，其在Γ点的本征场漫衍如图1c所示，清晰展现出moiré平带的本征场具有显着的局域化特征。相比于古板的亚波长光栅能带结构，moiré光栅的每个布洛赫模式都保存多个辐射通道。因此，简单的拓扑荷缺乏以实现完善的moiré BIC。为此，在moiré平带中实现BIC的要害在于将多个拓扑荷调理到所有辐射通道处。

图1d展示了moiré平带（红色）在动量空间中的辐射行为。关于Γ点模式，其具有五个自力的辐射偏向，划分对应k _x ="0," ±2π/A, ±4π/A。通过优化结构参数，动量空间中形成了七个拓扑荷，其中五个与Γ点的五个辐射通道准确匹配，从而使得Γ点模式成为完善的BIC。图1e展示了差别能带的Q值漫衍，可以看到红色能带在Γ点的Q值趋于无限大，这进一步验证了完善moiré BIC的保存。

图1. 1D moiré光子晶体BIC的理论设计。

研究亮点之二：moiré BIC在全波矢空间的高Q响应及鲁棒特征

进一步研究发明，除了Γ点的moiré BIC具有无限大的Q值，远离Γ点的moiré BIC本征模式仍然坚持较高的Q值。图2a展示了kx空间内平带的远场辐射信息，可以清晰看到，由于多个拓扑辐射零点的保存，极大地抑制了整条能带的辐射强度。作为比照，图2b展示了古板BIC能带的远场辐射情形，其中仅有一个拓扑荷位于Γ点，导致远离Γ点的辐射强度显著增添，进而对应较低的Q值。图2c比照了moiré BIC平带（红色实线）与通俗BIC（灰色实线）的Q值漫衍，可以显着看出moiré BIC能带在整个k空间内实现了周全的Q值提升。

具有moiré BIC能带的另一显著特征是，其大角度本征模式所体现出的强鲁棒性。图2c中橙色、黄色和绿色实线划分展示了差别扰动强度下moiré BIC平带的Q值漫衍。响应的古板结构的Q值转变则由灰色实线体现

？梢钥吹，随着扰动强度的增添，古板结构的Q值显著下降，而moiré BIC平带的Q值在大角度下险些没有衰减，展现出极强的稳固性。

图2. Moiré BIC在全波矢空间的高Q响应及鲁棒特征。

研究亮点之三：moiré BIC的实验视察

为了验证上述理论效果，研究职员制备了设计好的moiré 光子晶体样品。样品尺寸为500×500  μm²，包括约170个moiré周期。图3a展示了样品的扫描电子显微图像，右侧为单个单位的放大图。加工样品的尺寸与理论设计高度吻合。在图3b中，通过角区分透射谱的丈量，研究职员绘制了该结构的色散关系

？梢钥吹揭惶跎⒔先醯哪艽浩鹪1440 nm周围，证实了moiré光子晶体的平带色散特征。同时，能带透射率在Γ点周围靠近消逝，批注该区域模式与外界的耦合极具削弱，从而验证了moiré BIC的保存。

别的，研究职员使用可调谐激光器，测得了差别频率下样品的等频率图，效果展示在图3c中。通过散射强度谱线，他们丈量了差别波矢点光子晶体模式的Q值，并将效果展收图3d

？梢钥吹，在入射角为3.6°处，Q值抵达了9042，而在6.4°和8.3°时，Q值划分为6051和1094。这一效果证实晰具有moiré BIC的平带，在大角度规模内都具有较强的Q值。

图3. Moiré BIC的视察与Q值丈量。

综上所述，研究职员首次提出并设计了光学moiré一连谱约束态。通过准确调控多个拓扑涡旋，使得Γ点本征模式的辐射被完全抑制，同时显著增强了能带在广角规模内的Q值与鲁棒性。别的，通过样品的制备与丈量，验证了moiré平带的色散特征以及其在广角规模内Q值的提升。这一研究效果乐成构建了窄带、宽角度且具备高Q值的光学共振模式，为未来探索光与物质的强相互作用提供了有用参考。

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-53433-9