光的手性操控难在哪？

在光学和物理学研究中，如何让光与物质产生强烈的相互作用，一直是科学家们探索的重点。近年来，“连续体中的束缚态”（Bound states in the continuum，简称BICs）提供了一种全新的机制，能够极大地提升光学共振的“品质因数”（Q因子）。简单来说，Q因子越高，材料结构束缚光能量的能力越强，能量的流失也就越少。理论上，BICs甚至可以完全消除辐射损耗，实现无限大的Q因子。

在实际应用中，科学家们还希望材料具备另一种能力-“光学手性”，即结构能够对不同旋转方向（左旋或右旋）的光产生不同的吸收或反射反应。这种能力通常用圆二色性（CD）来衡量。但是，当科学家试图将“高Q因子”与“强光学手性”结合时，却遇到了基础性的物理矛盾问题。

以往基于超构表面（一种人造的纳米结构材料）的研究中，Q因子和圆二色性（CD）之间存在着明显的制约关系。研究人员如果想要获得更高的CD值，就需要增加结构的不对称性。但会带来严重的副作用：辐射损耗会呈指数级增加。结果在CD值达到最大之前，代表能量束缚能力的Q因子就已经下降了几个数量级。

如图1所示，你可以直观地看到这种对比：图1a展示了以往研究中的问题，随着不对称参数的增加，代表CD值的实线不断上升，但代表Q因子的虚线却大幅下降，两者就像跷跷板的两端，无法同时处于高位。在实际设备中独立控制这两个关键指标变得极其困难。

为了解决这一难题，研究人员设计了一种工作在中红外波段的3D等离激元超构表面。通过巧妙的结构革新，他们成功获得了高Q因子（Q≈938）且具有强CD（≈0.67）的“准BIC共振”。这项突破的核心在于一种被称为“集成共振单元”（IRU）的独特构造。

如图2所示（图2b为俯视图，图2c为侧视图），与以往采用两个形状、大小相似的子单元设计不同，新单元由两个完全不一样的部分组成：一个是扭转的垂直开口谐振环（VSRR），另一个是一堵垂直的“墙”。两个不同组件构成的配置本身缺乏镜像对称性，因此具备产生光学手性的基础。

在研究工具与方法上，研究团队使用了先进的COMSOL Multiphysics软件进行了全波模拟分析。这种模拟工具能够精准地观察电磁场在无限阵列微观结构中的分布、反射以及能量耗散情况。

这种由“墙”和“开口环”组成的非对称搭配，成功解开了Q因子与CD之间的强行绑定，获得了一个全新的自由度，实现了对两者的相对独立调控。

计算模拟中发现，在这种准BIC共振状态下，光产生的耗散能量主要集中在“墙”这个组件上，而不是开口环上。如图3所示，研究人员通过模拟实验不断调整墙的高度（H），并观察共振的演变。他们发现，当墙的高度为2.4 um时，结构达到了一个非常理想的状态，此时不仅Q因子表现良好（≈ 715），而且整体共振吸收振幅也极其出色（大于0.95）。

能量的损耗主要被“墙”控制，如果对开口环（VSRR）进行几何角度上的扭转，就不会对Q因子产生太大的负面影响。扭转开口环还能够同时打破结构在平面内和平面外的镜像对称性，激发出巨大的光学手性。如图4所示，研究人员在模拟中改变了开口环的扭转角度（θ）。实验结果显示：改变扭转角度仅仅改变了CD信号的幅度，而共振波长和Q因子依然保持着惊人的稳定性（详见图4d和图4e）。

学者介绍：余长源，香港理工大学电子及资讯工程学系光子信息系统讲座教授、博士生导师，香港理工大学晋江技术创新研究院院长，Optica/OSA Fellow，IEEE Senior Member。主要研究方向包括光子器件、光子子系统、光纤通信与传感系统及生物医学仪器，聚焦光通信信号处理、光纤感测与光电系统应用等问题。

ORCID：0000-0002-3185-0441

DOI：10.1002/lpor.202200597

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