近日，bv伟德官方网站應用物理系伏洋洋教授與蘇州大學徐亞東教授、蘇州城市學院高雷副校長等合作，在等離激元單粒子結構中發現了連續譜中束縛态（BIC）。這類BIC物理上源于金屬微結構中局域表面等離激元（SLSP）的幹涉相消，該效應可以出現在多個角動量通道中且完全簡并。該BIC與傳統SLSP是一對孿生本征态：SLSP是這對本征态中亮模（bright mode），而BIC是暗模（dark mode），如同硬币的正反面一樣。該工作将光學BIC研究拓展到亞波長範疇，促進了對等離激元微結構中局域态的深入理解，有望為突破衍射極限以及增強光與物質相互作用提供了新途徑。研究成果以“Plasmonic Bound States in the Continuum in Compact Nanostructures”題發表在國際知名期刊《Advanced Optical Materials》上，伏洋洋教授、徐亞東教授以及高雷教授為論文的通訊作者。

研究背景與創新思路

 近年來，連續譜中束縛态（BIC）由于其深刻的波物理性質而引起了人們的廣泛關注。非存在理論[Nat. Rev. Mater. 1, 16048 (2016)]表明，除了被完全不透明材料或零折射率材料包圍的結構外，BIC通常不存在于單粒子系統中。然而，利用完全不透明材料是無意義的，因為其無法實現内外環境的能量交換，而零折射率材料由于窄頻響應和材料損耗存在，嚴重阻礙了基于BIC的相關應用。利用高折射率介電納米結構，通過諧振腔模式的共振交叉可以獲得高Q因子共振模态，是一個實現BIC的有效手段。然而，這些近似正交的腔模無法實現完全幹涉相消，因此隻能得到有限Q因子的準BIC。目前，在單粒子系統中實現真正的光學BIC仍然是一項具有挑戰性的任務，這對于基于BIC的緊湊光學器件設計與開發具有重要價值。

圖1. 紋理化金屬圓柱中的等離激元BIC 。(a) 結構示意圖。(b)二維金屬結構散射截面的解析結果。

 研究團隊基于人工局域表面等離激元（SLSP）結構[PRL 108, 223905 (2012)]，通過改變凹槽深度打破近鄰槽的對稱性，揭示了基于SLSP人工金屬結構實現BIC的新思路。圖1a為結構示意圖，兩個不同深度的槽（G₁和G₂）交替排列在金屬圓柱表面，其中G₁槽尺寸不變（r₁ = 0.40R），而G₂槽深（r₂）可變化。當TM（磁場沿z方向）平面波入射到2D結構上，通過散射截面的解析計算（圖1b）可以看到兩個散射峰的反交叉行為。高頻模式的線寬較窄（高Q共振），低頻模式的線寬較寬（低Q共振）。當r₂ = 0.40R時(結構具有對稱性)，高頻帶線寬消失，散射譜中隻能看到SLSP共振。由于BIC的線寬為零，以往的SLSP研究忽略了這類結構中還存在BIC。進一步地，模拟結果驗證了理論解析的準确性（圖2a），且準BIC的比傳統的SLSP有着更好的場增強效果（圖2c），這在傳感器、激光器和非線性光學中具有重要的應用價值。圖2c展示了了最低階三個角動量通道（OAM）的高Q共振的本征頻率演變情況，在r₂ = 0.40R處三個模式都是BIC（圖2d）且完全簡并。這種完全簡并行為是由于金屬結構的極端各向異性引起的，使得所有通道的BIC的徑向共振都坍縮到最低階模式，但它們的角向特性依舊保留。

圖2. 多極BIC簡并。(a) 散射截面。(b) SLSP和準BIC的場增強效果。（c）多個OAM通道的BIC且在r₂=0.4R處完全簡并。（d）為c中Q因子。

 金屬結構中兩類溝槽可以支持兩個獨立的SLSP共振模式，随着溝槽深度逐漸接近，這兩個SLSP模式會發生反交叉耦合（圖3a）。當金屬結構完全對稱時（r₁=r₂）,兩個SLSP反相位耦合實現幹涉相消，導緻BIC的産生；兩個SLSP同相位耦合則對應于傳統SLSP共振态。該BIC與傳統SLSP可以視為一對孿生共振态：SLSP是這對本征态中亮模（bright mode），具有輻射特性；而BIC是暗模（dark mode），因此消失在散射譜中 (圖3b)。此外，文章還詳細讨論了一系列有限長度的金屬圓柱，由于三維結構中也支持SLSP， BIC也存在于三維金屬單粒子結構中。

圖3. BIC産生的物理機制。(a) 在m = 0通道中的兩個SLSP模式耦合。(b)金屬結構中的本征模式演變。

文章鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202201590.