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光学超表面能够在超薄的工程界面上以前所未有的方式操控电磁波。具体而言，在中红外（mid-IR）波段，超表面通过增强谐振腔中的光与物质相互作用，已经在众多生化传感、光谱学以及振动强耦合（VSC）应用方面得以实现。然而，中红外超表面通常是在固体支撑衬底上制备的，这会降低谐振品质因数（Q），并阻碍样品有效接近近场电磁热点。此外，典型的低折射率红外透明衬底材料，如氟化钙（CaF₂）、氯化钠（NaCl）、溴化钾（KBr）和硒化锌（ZnSe），往往要么具有水溶性、价格昂贵，要么与低成本大规模制造工艺不兼容。![]()
近日，威斯康星大学麦迪逊分校FilizYesilkoy团队展示了新颖的独立式硅膜中红外超表面，其在可触及的空气空隙中具有很强的光捕获能力。采用布里渊区折叠技术来激发连续体中可调谐的、高Q值的准束缚态（qBIC）谐振，所测得的最高Q值达到722。利用可触及空气腔中的强场局域性，展示了在多种失谐频率下与多个数量的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）分子的振动强耦合以及qBIC模式。将中红外超表面制备到半导体膜中的新方法使得中红外光子器件能够实现可扩展制造，并为量子相干光与物质相互作用、生化传感以及极化激元化学提供了令人振奋的机遇。研究成果以题为“Trapping light in air with membrane metasurfaces for vibrational strong coupling”发表于《Nature Communications》上。图1：支撑qBIC的独立硅膜超表面的艺术效果图，实现了振动强耦合；图像中的物体并不代表它们的真实尺寸。
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图2：独立硅膜超表面支撑的BZF-qBIC共振。
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图3：中红外中硅膜超表面支持的自由空间可达BZF-qBIC模式。
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图4：BZF-qBIC超表面的共振扫描。
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图5：Rabi分裂随聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）振动模式与超表面谐振之间频率失谐的变化关系。
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图6：VSC强度随光子腔中分子数量的变化。
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Adi, W., Rosas, S., Beisenova, A. et al. Trapping light in air with membrane metasurfaces for vibrational strong coupling. Nat Commun 15, 10049 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54284-0
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