通过合并BICs实现稳健的手性

《Light-Science & Applications》：Robust chirality through merging BICs

　　摘要：通过利用连续体中的多个偶然束缚态（BICs）的合并，实现了稳健的手性。这种机制同时在广泛的动量空间区域内维持了超高品质因数Q的共振和强烈的手性光学响应，实现了近乎完美的圆二色性（~0.99）和超高的Q值（~10?）在平面介电平台上。手性在化学、生物学和药物科学中起着核心作用，因为具有相反手性的分子可以表现出截然不同的生物活性。基于圆偏振光的光学方法长期以来一直是区分手性结构的重要工具，其中圆二色性光谱（CD）是最广泛使用的技术之一1,2。然而，天然材料本身的手性光学响应通常非常微弱，这对敏感检测和操控手性光-物质相互作用提出了根本性的挑战。

近年来，能够调节光幅、相位和偏振的亚波长纳米结构超表面阵列已成为增强手性效应的强大平台3,4,5,6。通过设计共振电磁模式，超表面可以显著放大CD和光学活性。在这些方法中，连续体中的束缚态（BICs）尤其受到关注。这些辐射抑制的模式理论上具有无限的Q值，并且在通过受控的对称性破缺转换为准BIC共振时，能够实现极其强烈的光-物质相互作用7,8,9,10。2019年，Wenzhe Liu等人11首次揭示了通过平面内对称性破缺，BICs可以分裂成一对具有相反半整数拓扑电荷的圆偏振奇点（C点），从而建立了BICs和C点之间的基本联系。基于这一概念，Adam Overvig等人12使用三维超原子展示了基于手性准BICs的超锐利Fano共振，实现了近乎unity的CD。随后，Tan Shi等人13提出了一种平面手性超表面，支持强烈的手性响应并具有中等Q值（~121）和近乎完美的CD（~0.93）。然而，这些先前的强CD实验演示依赖于假（外在）手性，这是通过斜向照明或结构各向异性实现的。2023年，Yang Chen等人14报告了迈向内在手性的重要一步，他们通过引入同时破坏平面内和平面外对称性的倾斜几何结构，在共振超表面中实现了真正的手性响应，其Q值约为2663。同时，人们也探索了多种实现宽角度手性响应的方法。例如，Minho Choi等人15利用宽带工程实现了宽角度手性，但由于稳健性不足，性能仍然有限（CD约为0.6，Q约为140）。Wenjing Lv等人16研究了磁光BICs，这种方法可以避免破坏几何对称性的需要，并理论上保持无限的Q值共振，同时实现近乎unity的CD（~1）。

尽管取得了这些进展，大多数现有方法要么将强CD限制在动量空间的孤立k点上，要么对制造缺陷和角度错位非常敏感。此外，磁光BICs通常需要外部磁场和特定的材料平台，这对实际的光子集成提出了重大挑战。这些限制突显了迫切需要一种纯介电且易于制造的策略，该策略能够在保持对几何扰动和角色散的稳健性的同时，同时实现超高Q值和近乎完美的CD。最近，一篇发表在eLight上的新研究通过利用多个偶然BIC的合并，在广泛的动量空间区域内展示了稳健的高Q手性响应17。如图1a所示，作者介绍了一种平面介电手性超表面装置及其设计工作流程，以实现稳健的超高Q内在手性。该超表面被设计为支持多个净拓扑电荷为零的偶然BICs。其背后的物理机制如图1b所示。通过受控的平面内和平面外对称性破缺来消除狄拉克型简并，系统在动量空间中经历了确定性的拓扑演变。在此过程中，具有相同手性的C点向Γ点迁移，而具有相反手性的C点则湮灭或移动到更高k区域。C点的这种聚集产生了广泛的强手性响应区域，而不是传统准BIC超表面中常见的孤立奇点。如图1c, d所示，这种基于拓扑的机制实现了超高Q共振和强手性响应的稳健同时实现，这在参数空间和动量空间的广泛区域内都有体现。结果，该装置在广泛的动量（角度）范围内实现了接近10?的超高Q值以及近乎完美的CD（~0.99）（|kxP/2π, kyP/2π| < 0.06）。此外，在参数空间内，超表面同时保持了超过0.9的CD和超过5000的Q值，突显了所提出设计的稳健性。除了线性响应外，该超表面还在三次谐波生成中支持近乎完美的非线性手性（~0.999），这突显了这种基于拓扑的方法在创建稳健且可扩展的手性光子设备方面的潜力。

图1：稳健的超高Q内在手性超表面装置的概念性插图。