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1研究背景
在现代光子学领域，高Q值共振因其在多种高灵敏度设备中的关键作用而备受关注。这些设备广泛应用于信号切换、传感和激光器等。高Q值共振能够实现光在极小体积内的局限，从而增强光与物质的相互作用。然而，高Q值共振的实现通常需要材料具有极低的损耗，这限制了它们在等离子体平台上的发展，因为等离子体材料本身存在欧姆损耗。此外，由于欧姆损耗导致的低Q值，使得等离子体设备对实际应用的灵敏度不足。尽管已有研究探索在等离子体结构中实现高Q值共振的方法，但在低Q值共振领域内实现高灵敏度设备的设计仍然是一个未被充分探索的领域。太赫兹（THz）频率范围，即0.1至10 THz，因其独特的属性而受到广泛关注。这一频谱在通信、成像、光谱学、安全检测和传感等多个领域展现出巨大应用潜力。近年来，元表面技术彻底改变了太赫兹光子学，通过精确设计元表面上的亚波长尺度的元原子，可以调节太赫兹波的相位、振幅和偏振状态。然而，现有的太赫兹系统，如时域光谱系统，由于其有限的光谱分辨率，与高Q值设备不兼容。这一局限性限制了高Q值共振器的实际应用，并显著阻碍了太赫兹技术的发展。
2成果简介
在这项研究中，科研团队提出了一种低Q值的等离子体元表面，用于超灵敏的太赫兹（THz）信号切换和传感。理论上，研究揭示了构建具有高非辐射损耗灵敏度的低Q值谐振器的方法。利用这一机制，设计了一种高度敏感的等离子体元表面，该元表面由连续体中的准束缚态与偶极模式之间的强耦合引起。通过与锗（Ge）层的混合，该元设备展示了超低的泵浦阈值192 μJ/cm²和超快的开关周期时间7 ps。此外，它还表现出对折射率的高灵敏度，达到了224 GHz/RIU。该研究提出的构建低Q值和高灵敏度光子设备的范式可以应用于生物传感、宽带滤波器和敏感调制器。3图文导读
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图1 展示了超灵敏准BIC元表面的工作原理，该元表面由共振金层和石英基底组成，并通过光活性Ge层实现动态调制。![]()
图2 描述了双端口双模式耦合系统的相位图，揭示了耦合模式的Q因子和系统对非辐射损耗的灵敏度。![]()
图3 展示了低Q值元表面的实现，包括十字形元原子的传输光谱和通过引入非对称扰动破坏C2对称性，使BIC转变为准BIC的过程。![]()
图4 展示了元表面的超灵敏光诱导调制和近场增强效果，包括不同泵浦能量下的测量传输光谱和近场增强比的分布图。![]()
图5 展示了超快元表面开关的测量瞬态动态，包括不同泵浦-探测时间延迟下THz传输幅度的变化图。![]()
图6 展示了高灵敏度太赫兹折射率传感器的性能，包括Fano峰的频率偏移与分析物厚度的关系，以及折射率变化时传输光谱的红移。
4小结
本研究提出的准BIC等离子体元表面，以其低Q值特性，在超快切换和传感应用中展现出高灵敏度。该设计的理论基础在于发现实现对非辐射损耗具有高度灵敏度的低Q值谐振器的关键要求是促进高Q值和低Q值模式之间的强耦合。基于这一物理机制，研究团队构建了一种准BIC元表面，其中纳米间隙在促进准BIC和偶极模式之间的耦合中起着关键作用。这种耦合效应不仅降低了准BIC的Q值，还增强了近场电场。通过实验结果，研究团队展示了该元表面在超快太赫兹开关中的低泵浦阈值和快速开关周期，以及作为低Q值和高灵敏度折射率传感器的潜力。这项研究不仅在太赫兹元表面的高灵敏度设计和功能方面取得了显著进展，而且为它们的多样化应用奠定了基础。文献：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c04565
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