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1. 导读
共振超表面能够将光场局域在非常小的空间范围内，进而增强光场与物质的相互作用，在超灵敏度传感等领域展现出了非常强大的应用潜力。为了满足多频带纳米光子学的应用需求，如频率复用，多参数传感检测等，在一定频带范围内能提供多个局域场增强的多共振超材料逐渐得到关注和研究。然而，在目前的研究中，多共振现象大多局限于同一种共振模式，而关于支持异类光学模式共振的研究则相对较少。此外，尽管少数研究中的超表面同时激发了异类模式共振效应，但是由于缺乏对实现机理的透彻研究，从而表现出明显的偶然性。针对这一问题，近日南开大学王湘晖教授、常胜江教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种多模式共振的超材料结构设计方法，该方法在利用多聚体镜像和旋转对称性破缺产生准连续谱束缚态的基础之上，合理设计多聚体组成单元的形状以激发其它共振模式，从而实现不同共振模式的同时激发。作为示例，该研究用非对称哑铃形空气孔组成的二聚体超表面第一次实现了准连续谱束缚态（QBIC）和anapole模式在太赫兹频段的同时激发，并进行了THz频段的生物传感实验研究。在生物传感实验中，Anapole模式表现出更高的灵敏度（271.3
GHz/(nmol/μl)-1），而QBIC模式表现出更低的探测极限(0.015
nmol/μl)。该研究成果有利于促进多种模式共振超材料的设计，并推动其在传感、激光、滤波和非线性等领域的相应应用。2. 研究背景
超材料是亚波长尺度的人工电磁微结构。通过精心设计超材料单元的几何结构以及材料特性等，能产生不同模式的共振效应，如Fano共振、准连续域束缚态（QBIC）共振、Anapole共振等。共振超材料由于其强大的近场增强作用在超灵敏度传感等领域被广泛的研究。近期的研究表明，同时激发多种共振模式有利于提升传感器的综合性能，如同时提升灵敏度、稳定性、检测范围等。然而，目前在多模式共振的同时激发机理方面还缺乏的深入研究。连续谱束缚态(BIC)是一种正在逐渐受到关注的光学模式。一个理想的BIC理论上是一个无限窄线宽的共振，具有无限高的Q值。通过在对称结构中引入非对称破缺（如形变、位移等）的方法可以激发对称保护型QBIC共振。相比于单个纳米粒子，多聚体的多粒子组成形式使其具有更多的可调结构参数，因而拥有更高的调控自由度。由于单元内组成粒子的之间以及相邻单元之间的电磁耦合，多聚体结构能够支持复杂的模态集体行为。目前多聚体的组成粒子常采用简单的规则几何形状，如正方形、圆形、棒状等。因此，将支持另一个共振模式的单个结构作为多聚体的组成粒子，同时在粒子之间引起对称性破缺，则有可能实现QBIC和其他共振模式的同时激发。光学中anapole模式的产生源自于结构中占主导作用的电偶极矩和环偶极矩在远场的干涉相消。能够用于产生anapole模式的金属结构包括开口环形、哑铃形等。其中，哑铃型结构是产生anapole模式的一种十分有效的结构。哑铃形结构中间的窄狭缝可用于产生电偶极矩，两端的两个圆形则能产生两个反向旋转的表面电流从而形成环偶极矩，这一特殊的结构形状在anapole模式激发中起着非常关键的作用。3. 创新研究
研究人员创新性地提出了一种能同时激发QBIC和其他共振模式的超材料结构设计方法，该方法在利用多聚体镜像和旋转对称性破缺产生QBIC的基础之上，合理设计多聚体组成单元的形状以激发其它共振模式，从而实现不同共振模式的同时激发。研究以非对称哑铃二聚体为例，进行了数值模拟、理论分析、加工制备、实验表征和生物传感等多方面的研究。首先研究人员分析了对称的哑铃二聚体的光谱响应。此时，由于结构单元的特殊形状能够同时激发电偶极子和环偶极子，且二者之间发生干涉相消，进而激发出光学anapole模式。图2从远场多级分解分析和近场电磁场分布分析了anapole模式的产生机理。![]()
图2 对称哑铃二聚体的Anapole模式响应
随后，研究探究了当哑铃形二聚体结构之间发生对称破缺时的光谱响应。从图3中可以看到，结构对称时在透射光谱上只能观测到anapole共振，此时，结构同时处于对称保护状态，BIC与辐射通道解耦，在透射光谱中不可观测。当二聚体之间的对称性被打破时，BIC模式泄露到辐射通道中，从而形成了QBIC共振。QBIC共振的线宽随着不对称的增加而展宽，并轻微的向高频偏移。实验结果与仿真结果表现一致，证明了所提出方案的有效性。![]()
图3 非对称哑铃二聚体同时激发QBIC和anapole模式
为了展现双模式共振在THz生物传感领域中的优异性，如图4所示，研究人员以牛血清白蛋白（BSA）溶液浓度测量为例开展了研究。对生物传感来讲，灵敏度和探测极限是衡量传感性能十分重要的两个指标。随着BSA溶液浓度的增加，两种模式的透射光谱均向低频移动。当浓度大于0.3 nmol/μl时，anapole模式表现出更高的灵敏度，然而QBIC模式具有更低的探测极限。这意味着多共振模式能够提升传感器的综合指标。![]()
图4 QBIC和anapole模式的BSA生物传感
4. 应用与展望
研究团队提出的多模式共振的超材料结构设计的新方法，是一种普适、高效、功能广泛的方法，并可在未来被拓展到任意波段、透射体系、反射射体系等等。产生的多频带多模式共振在多通道通信，多参量传感，多带滤波等领域都有广阔的应用前景。该研究成果以“Asymmetric dumbbell dimers simultaneously
supporting quasi-bound states in continuum and anapole modes for terahertz
biosensing”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Jixin Feng, Xianghui
Wang, Weinan Shi, Liang Ma, Yunyun Ji，Fei Fan, Shengjiang Chang, 其中Jixin
Feng为第一作者，Xianghui
Wang和Fei
Fan教授为共同通讯作者。团队成员隶属于南开大学现代光学研究所，天津市光电传感器与传感网络技术重点实验室。
