Optics Letters | 2.5D相变超构表面准连续谱束缚态本征手性的动态调控

近年来, 由于高Q共振特性, 连续谱束缚态 (BIC) 被认为是增强光与物质相互作用的有效解决方案 。 特别是, 由超材料中的手性扰动产生的手性准BIC (QBIC) 已成为实现强CD的重要平台。从根本上讲, 本征手性 (真手性) 与本征手性QBIC相关, 这需要复杂的三维 (3D) 几何结构, 并且平面内和平面外的镜像对称性被破坏 。

研究表明, 在包含多个不同高度谐振器的2.5D超表面中可以获得本征手性QBIC。然而, 通过包含等高谐振器的 2.5D超表面实现本征手性更具吸引力, 因为这种结构更紧凑且与CMOS兼容。此外, 尽管可以使用相变材料构造手性超表面, 以通过2D超表面定制非本征CD或通过具有不同高度谐振器的2.5D超表面控制本征CD。但人们长期以来一直在追求通过等高谐振器进行反射和透射的可重构高 Q本征手性QBIC, 但仍未得到探索。

在论文中, 通过基于Ge2Sb2Te5 (GST) 的包含等高谐振器的工程化2.5D相变超表面展示了可控的高Q本征手性QBIC的反射和透射性能。通过引入倾斜角 θ 和方位角 φ 的平面外扰动, 可以将圆偏振态 (C 点) 调整到动量空间中的 Γ 点, 从而实现高效和高Q本征手性。高Q本征手性QBIC对结构参数的变化具有很强的鲁棒性, 并且可以通过GST的相变动态调整其Q因子和谐振位置。

图1展示了由额外的平面外扰动引起的2.5D超表面本征手性的演变。如图1a所示, 超表面的晶胞由一个双边方孔组成, 周期为Λ, 厚度为h。方孔的宽度为l, 上下边缘的宽度分别为b1和b2。平面内非对称参数定义为α=|(b1 − b2)/b1|。图1b显示了通过 θ 和 φ 引入平面外扰动后晶胞的转变过程。图1c和1d展示 α=θ=φ=0 时的能带结构和Q因子分布。在图1c和1d中, TE2 能带中存在对称性保护的BIC, 其特征是在 Γ 点处具有无限大的Q因子。在图1e-1g中, 当引入 α 的平面内扰动时, q=+1 的 V 点将分裂成右手 (RH) 和左手 (LH) C点，由于全局拓扑电荷守恒，这两个 C点的电荷是相同的。如图1h-1j所示, θ 和 φ 的平面外扰动可以为配对C点的调控提供额外的自由度, 通过改变 θ 和 φ 可以灵活地调整它们在动量空间中的演化路径。具体来说, LH C点被调整 (α,θ,φ)=(0.1,0.12,0.785) 的 Γ 点, 这表明实现了本征手性QBIC。请注意，即使将超表面放在基板上, 也可以通过调整 θ 和 φ 来实现C点位于 Γ 点的本征手性QBIC(参见补充材料 1 的第 3 节)。

图1.额外的平面外扰动引起的工程2.5D相变超表面固有手性的演变。结构参数为：Λ=1200nm、l=800nm、h=600nm 和 b1=b2=250nm。(a) LCP和RCP在法向照射下的超表面示意图, 插图中放大了晶胞。(b) 倾斜角 θ 和方位角 φ 的晶胞变换过程。(c) 能带结构和 (d) α=θ=φ=0 时的Q因子。(e) 和 (h) 是极化奇点随着α、θ 和 φ 的变化进行的演变。(f) (α,θ,φ)=(0,0,0)、(g) (α,θ,φ)=(0.1,0,0)、(i) (α,θ,φ)=(0.1,0.12,0) 和 (j) (α,θ,φ)=(0.1,0.12,0.785) 的特征极化图, 其中蓝色和红色椭圆对应 k 空间中结构底部的LH和RH极化态。

图2显示了 (α,θ,φ)=(0.1,0.12,0.785) 的超表面的手性光学响应。从图2a可以看出, 手性QBIC在波长2086.5nm 处产生自旋选择共振。LCP光的反射在共振时会降低，因为其手性与 LH C点相同, 而RCP光的反射会由于其手性相反而增强。请注意, 由于螺旋性依赖的吸收, 可以实现高对比度的手性吸收。这里R+A+T=1, 其中A表示吸收。在图2b中, 在谐振位置处可以获得较大的反射和透射CD。透射和反射的CD峰值分别为0.95和0.66；透射和反射的CD响应的Q因子分别为6137和3597。由于高Q手性 QBIC的激发, CDT和CDR的Q因子都足够大。在图2c和2d中, 交叉极化分量与TRL=TLR和RRL=RLR相同, CD响应源自TLL≠TRR 和RLL≠RRR的共极化分量, 验证了透射和反射都是固有CD。

图2.在垂直入射 CPL 照射下超表面的手性响应。结构参数为：Λ= 1200nm、l=800nm、h=600nm 和 (α,θ,φ)=(0.1, 0.12,0.785)。(a) 透射、反射和吸收响应。(b)透射和反射的 CD 响应。(c) 透射分量。(d) 反射分量。

为了更好地理解工程超表面固有手性QBIC的共振机制, 根据多极子分解理论将远场散射功率分解为电偶极子 (ED)、磁偶极子 (MD)、环形偶极子 (TD)、电四极子 (EQ) 和磁四极子 (MQ) 进行了研究。如图3a所示, 对于LCP光, 在共振位置处, 主导偶极子为MD。在图3b中, 由于手性QBIC的共振, 电场得到增强, 位移电流矢量在超表面晶胞周围形成闭环, 验证了其MD模式特性。如图3c和3d所示, 对于RCP入射, 主导偶极子仍然是MD, 其位移电流矢量形成闭环, 电场得到增强。然而, MD对RCP光的散射功率贡献远大于LCP光, 其电场也比LCP光强。因此, 自旋选择MD模式是高Q本征CD激发的原因。

图3.共振时的多极分解和近场分布。在 (a) LCP 和 (c) RCP 光照射下不同多极矩的散射功率。(b) LCP 和 (d) RCP 光入射时的电场 Ez 和位移电流矢量分布。

图4显示了 (Λ,l,h,α) 结构参数对CD响应的影响。如图4a所示, 即使周期Λ发生显著变化, 高Q本征 CD 仍能保持。由于晶格的相位匹配条件, CD峰随Λ的增加而红移。图4b中, 高Q本征CD对方孔宽度l的变化也具有较好的稳定性, l的增加会降低结构的有效折射率, 因此CD峰随l的增加而蓝移。图4c中, 随着h的增加, 高Q特性能够得到保持, 由于光学厚度的增加, CD峰随h的增加而红移。图4d中, 高Q本征CD对面内非对称参数α的变化具有较好的稳定性, 即使α偏离设计值±20%, CD峰的谐振位置仍然比较稳定。

图4.结构参数 (a) Λ、(b) l、(c) h 和 (d) α 对反射和透射 CD 响应的影响。其他结构参数与图 2 相同。

最后, 论文演示了超表面的固有CD可以通过GST的相变进行动态调节。通过施加热场或电场, GST的介电常数可以在a-GST和结晶c-GST状态之间转换。可以使用有效介质理论模拟具有不同结晶率的GST的有效介电常数。图5显示了通过GST相变实现的工程超表面的CD性能。在图5a和5b中, 随着 f 的增加, CDT和CDR的CD峰都随着带宽的增加而红移。这是因为随着 f 的增加, GST的光学常数也增加了。由于共振减弱, 当f>0.8时, 透射和反射的CD峰趋于消失。请注意, 随着 f 的增加, 吸收CD也趋于消失(参见补充材料 1 的第 4 节)。为了很好地展示 f 对固有 CD 的影响, CD信号的共振波长、Q因子及其拟合结果以 f 的函数形式示出。在图5c和5d中, 随着 f 的增加, CDT和CDR的共振波长都线性红移, 斜率为213.1nm/RIU, 并且它们的Q因子呈指数衰减。与CDR相比, CDT的Q因子衰减得更为显著, 因为它的衰减系数较大, 为29.75。

图5.通过GST的相变实现手性调控。结构参数与图2相同。CD光谱作为体积分数 f 的函数, 分别表示 (a) 透射和 (b) 反射。CD峰值及其 Q 因子作为体积分数 f 的函数, 分别表示 (c) 透射和 (d) 反射。

综上所述, 使用包含等高谐振器的工程2.5D GST超表面展示了可操纵的高Q本征手性QBIC的反射和透射性能。(θ,φ)的平面外扰动为动量空间中C点的操纵提供了新的自由度, 有助于实现高效和高Q本征CD。透射和反射的Q因子/峰值CD分别为 6137/0.95和 3597/0.66。多极分解表明本征手性QBIC源自自旋选择 MD 模式。高Q本征 CD对结构参数的变化非常稳定, 并且可以通过GST的相变进行动态调整。文章方法为可操纵的高Q本征CD提供了通用的设计方案, 这可能促进自旋选择光波操纵的众多应用。

文章来源

Siyuan Ouyang, Tian Sang, Ze Jing, Junjian Lu, Steering high-Q intrinsic chiral quasi-bound states in the continuum via engineered 2.5D phase-change metasurfaces. Optics Letters, 49(20), 5703-5706, (2024).

https://doi.org/10.1364/OL.534860