1月6日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院集成所李光元課題組在納米科技領(lǐng)域國際頂級期刊Nano Letters上發(fā)表了題為Ultrahigh-Q Metasurface Transparency Band Induced by Collective-Collective Coupling的文章，并被選為封面文章。
針對超構(gòu)表面采用類電磁輻射透明（EIT）現(xiàn)象實現(xiàn)慢光效應(yīng)所面臨的高損耗問題，研究團隊提出了一種基于晶格共振與晶格共振發(fā)生耦合誘導產(chǎn)生的新型類EIT現(xiàn)象，極大地抑制了其損耗，從而在100納米高度的硅納米柱陣列上實現(xiàn)了慢光效應(yīng)（光速減慢了1萬多倍）。于此同時，團隊在實驗上測得高達2750的超高品質(zhì)因子，數(shù)倍于現(xiàn)有紀錄（483）。該研究還進一步發(fā)現(xiàn)了一種具有連續(xù)域束縛態(tài)（BIC）特性的集體型類EIT現(xiàn)象，其品質(zhì)因子和慢光指數(shù)在理論上均按照反二次函數(shù)發(fā)散到無窮大。這一創(chuàng)新設(shè)計為實現(xiàn)超高性能的慢光光子芯片器件提供了新的思路。
光速是宇宙中最快的速度，也是所有物質(zhì)和信息傳播的速度上限，被認為是無法超越的。真空中的光速c約為30萬公里/秒，是一個物理常數(shù)。在狹義相對論中，光速c將時間與空間聯(lián)系在一起，也將質(zhì)量與能量通過著名的質(zhì)能等價方程E=mc2聯(lián)系在一起。根據(jù)狹義相對論，當我們的速度接近光速時，時間會變慢，這與古人說的“天上一日，地上一年”相吻合。
光速不能被超越，但能被減慢。例如，光通過玻璃或水之類的介質(zhì)時速度放緩。將光速減慢，有助于更好地操控光子，進而提升對光信息的獲取、傳輸、處理與緩存能力以及光傳感、光通信、光路由、光調(diào)制和光存儲等相關(guān)應(yīng)用和器件的性能。以生化光子傳感應(yīng)用為例，當光速減慢后，光的能量密度將明顯增大，從而有效提高傳感靈敏度。因此，如何將光速減慢一直是科學家重點突破的關(guān)鍵目標之一。
由于常規(guī)材料的折射率不高，光速減慢十分有限。為了極大地減慢光速，人們提出了包括電磁誘導透明（EIT）、玻色-愛因斯坦凝聚、光子晶體等多種技術(shù)來實現(xiàn)強慢光效應(yīng)。其中，EIT技術(shù)是最早實現(xiàn)強慢光效應(yīng)的方法，其原理是利用原子系統(tǒng)躍遷通道之間的量子相干效應(yīng)來消除電磁波傳播過程中介質(zhì)的影響。基于EIT技術(shù)，1999年哈佛大學Hau等人在450nK的超冷原子中實現(xiàn)了17m/s的極慢光速（相當于一名優(yōu)秀運動員的自行車騎行速度）。然而，所有這些強慢光器件的一大核心限制因素是：由損耗帶來的緩存時間不足或光與物質(zhì)相互作用長度不夠的問題。
作為一種平面化的人工電磁材料，超構(gòu)表面被認為是一個“自由操控光的平臺和未來光電器件的顛覆者”。近年來，基于超構(gòu)表面來模擬EIT現(xiàn)象，成為光子芯片在室溫下產(chǎn)生強慢光效應(yīng)的研究熱點。然而，受制于超構(gòu)表面所支持的局域共振的巨大損耗，其慢光性能并不理想。
李光元課題組多年來致力于探索超構(gòu)表面的損耗抑制機理，已經(jīng)在基于表面晶格共振（SLR）的超高品質(zhì)因子超構(gòu)表面的理論設(shè)計和實驗性能上取得了一些重要的進展和突破 （Opt. Express 2019, 27, 25384；J. Physics D: Appl. Phys. 2020, 53, 465109；Opt. Lett. 2021, 46, 1546；J. Physics D: Appl. Phys. 2022, 55, 025111；Opt. Express 2022, 30, 34601；Nanophotonics 2022, 11, 4843；Adv. Optical Mater. 2023, 11, 2301205；Laser Photonics Rev. 2023, 17, 2300186；Adv. Optical Mater. 2023, 11, 2301130）。
在此基礎(chǔ)上，研究團隊基于硅納米柱陣列結(jié)構(gòu)所支持的米氏電偶極SLR分別與面內(nèi)或面外電四偶極SLR之間的干涉耦合，提出了兩種具有集體共振特性的新型類EIT現(xiàn)象，在室溫下實現(xiàn)強慢光效應(yīng)（光速被減慢1萬倍以上，即為30公里/秒以下）的同時，極大地抑制了損耗，從而在實驗上測得破紀錄的品質(zhì)因子。該原理不同于傳統(tǒng)超構(gòu)表面類EIT現(xiàn)象：后者基于局域共振之間的干涉耦合，因此需要將兩個獨立的納米結(jié)構(gòu)靠得足夠近來實現(xiàn)，對納米加工能力提出了挑戰(zhàn)，而且由于局域共振所受的散射損耗較高，導致類EIT現(xiàn)象的品質(zhì)因子和慢光指數(shù)均十分有限。
特別地，由面內(nèi)電四偶極SLR與電偶極SLR干涉耦合產(chǎn)生的新型類EIT現(xiàn)象繼承了前者的BIC特性，導致其品質(zhì)因子與慢光指數(shù)在理論上均按照反二次函數(shù)發(fā)散到無窮大。此外，通過參數(shù)調(diào)節(jié)，研究還觀測到了由這兩種類EIT現(xiàn)象形成的雙頻EIT帶。
本研究工作利用晶格共振之間的干涉耦合，在超構(gòu)表面上實現(xiàn)超高品質(zhì)因子（即超低損耗）的強慢光效應(yīng)，有望在光通信、光計算和光存儲等領(lǐng)域光調(diào)制器和光緩存器，以及光傳感領(lǐng)域的超高靈敏度傳感器方面獲得廣泛的應(yīng)用，也為慢光超構(gòu)表面硅基光子芯片的設(shè)計和研究提供了新的思路。
中國科學院深圳先進技術(shù)研究院為該研究的第一單位，深圳先進院集成所副研究員李光元為本文的通訊作者，團隊成員碩士研究生趙學騫為第一作者。該研究獲得了國家自然科學基金、廣東省自然科學基金和深圳市科技計劃的資助。
封面文章
傳統(tǒng)超構(gòu)表面的類EIT現(xiàn)象由局域共振-局域共振耦合或局域共振-晶格共振耦合誘導產(chǎn)生，本研究提出晶格共振-晶格共振耦合產(chǎn)生的新型類EIT現(xiàn)象。
由面內(nèi)電四偶極晶格共振與電偶極晶格共振耦合產(chǎn)生的超構(gòu)表面類EIT現(xiàn)象繼承了前者的BIC特性，其品質(zhì)因子和慢光指數(shù)均按照反二次函數(shù)發(fā)散到無窮大。
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