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近日，国防科技大学纳米团队朱志宏教授在连续域束缚态（BIC）的调控研究中取得了新的进展，在无需打破结构的对称性条件下，保持BIC不坍缩的同时使圆偏振靠近BIC，实现了具有高品质因子（Q因子）的圆偏振调控。
研究表明，简并光子能带中两种不同类型的狄拉克点周围的偏振相位分布不同，它们在向布里渊区中心Г点收敛并相互作用时，绕数（Winding number）为-2的BIC必须位于这两种狄拉克点之间的动量空间中，并不可避免地导致该区域的相位分布不连续。随着参数演化，以BIC为媒介，诱导狄拉克点内禀的多个圆偏振（C点）逐渐脱离自身，同时确保动量空间中相位的连续变化。相关研究成果以“Multiple Circular
Polarizations Coexisting with Bound States in the Continuum without Breaking
Symmetry”为题发表于《Laser
& Photonics Reviews》杂志上。本研究得到了国家重点研发计划（No. 2022YFF0712800）的资助。国防科技大学朱志宏教授为论文的通讯作者，博士生张箫为论文的第一作者，博士生徐纪鹏为论文的第二作者。在光子晶体板体系中，光锥（light cone）的概念被人们所熟知。光锥内称为连续域，光子晶体板中的电磁模式可以向外辐射能量并与均匀空间的平面波进行耦合耗散，导致其Q因子较低；光锥外的电磁场能量进入均匀空间后迅速衰减，这个向板外辐射能量的波是倏逝波。电磁模式被限制在板中，向板外的耦合耗散为0，Q因子趋向无限大，称为束缚域。然而，人们发现尽管在连续域内，有些电磁模式却基本没有任何耗散，这种位于光锥内部却具有极高Q因子的电磁模式叫做连续域束缚态（BIC）。
高Q因子和动量空间中的复杂偏振分布是BIC的两个基本物理特性，为BIC的应用奠定了基础。通过打破光子晶体板的平面内反转对称性或z向镜面对称性，BIC可以分解为两个具有不同手性的C点。在这种方法中，可以在BIC附近实现纯圆偏振，这在拓扑物理学和手性光学中具有巨大的应用潜力。然而，打破对称性不可避免地伴随着理想BIC的坍缩和Q因子的显著降低，这也给器件制造带来了挑战。这意味着，同时获得圆偏振态和BIC的高Q因子特性是有困难的。因此，获得丰富的高Q纯圆偏振仍然是一个亟待解决的问题。
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图1. a）连续域束缚态（BIC）和圆偏振（C点）共存示意图。b）简并光子带图。c）光子晶体板示意图。d）品质因子（Q因子）图。
1. 简并光子带中的BIC
与之前主要关注非简并光子带上BIC的研究不同，该团队揭示了BIC和更复杂的简并光子能带上的狄拉克点之间复杂的相互作用。内部I型狄拉克点向Г点收敛的同时，等待外部II型狄拉克点将到达，两种狄拉克点之间的距离逐渐减小。因此，这两种类型的狄拉克点都向Г点收敛，无限接近，直到它们同时在Г点相遇，从而完成拓扑荷的中和。由于两种狄拉克点周围的相位分布不同，它们向Г点收敛并相互作用，因此绕数为-2的BIC必须位于这两个狄拉克点之间的动量空间中，并不可避免地导致该区域的相位分布不连续。
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图2. 不同厚度的光子晶体板对应的远场偏振态。
2. 在狄拉克点附近BIC诱导产生的圆偏振
BIC充当相位的媒介，促进两种狄拉克点的相互作用，同时确保相互作用期间区域内相位变化的连续性。正是这种狄拉克点之间的不连续相位分布导致BIC与桥带上不同类型的狄拉克点相互作用，导致C点在狄拉克点附近产生，同时伴随着狄拉克点的涡旋状态的转变。在这个过程中，动量空间中狄拉克点周围的偏振演化在庞加莱球上的投影表现为S形蛇形轨迹，表明狄拉克点在C点产生前后发生了突然的拓扑状态转变。C点向BIC的移动使得高Q因子和圆偏振能够共存，而不会破坏结构对称性。
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图3. a-c）Q因子演化图。d-g）不同参数下的远场偏振态。
3. 打破z向镜面对称性条件下探究狄拉克点产生的圆偏振
通过打破z向镜面对称性，BIC分裂成两个手性的不同的圆偏振。利用上下表面远场偏振的不同步移动，实现不同的光谱响应。
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图4. a）打破z向镜面对称性的光子晶体板。b）上表面对应的远场偏振态。c-d）远场偏振图中的闭环在庞加莱球上的投影。e-f）上下表面的远场偏振态。g-h）动量空间中圆偏振对应的光谱响应。
在这项研究中，该团队研究了一个三角晶格的简并光子带系统，分析了该系统中BIC的行为。通过追踪BIC在动量空间中的位置，揭示了BIC在简并能带系统中跃迁和合并的整个过程。此外，研究表明，在包含两种狄拉克点的简并光子带中，利用BIC同时实现圆偏振响应和高Q因子的电磁本征模式是可行的。文章信息：
Xiao Zhang, JiPeng Xu, and ZhiHong Zhu, “Multiple Circular Polarizations
Coexisting with Bound States in the Continuum without Breaking Symmetry”, Laser & Photonics Reviews,
2024, 2401138.
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文章链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202401138
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