Shuyuan Lv、Fei Hu、Wenfeng Luo、Haifeng Xu 和 Lan An 在西安邮电大学电子与信息工程学院进行了一项研究，并在《Optics Express》杂志上发表了他们的研究成果。这篇文章介绍了一种新型的可调谐选择性光吸收超表面，该超表面基于硅材料，利用连续体中的束缚态（BIC）来实现超高的Q因子和接近单位的圆二色性（CD）响应。通过破坏结构的平面内和平面外对称性，研究人员能够精确控制超表面的内在手性。此外，他们还通过引入石墨烯来形成石墨烯-硅混合超表面，实现了对左右手圆偏振光的选择性吸收，并且可以通过调节石墨烯的费米能级和结构的倾斜角度来主动调节吸收强度。这项研究为光学滤波器、偏振探测器和手性成像等领域的应用提供了新的见解和可能性。
本文要点
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文章提出了一种基于硅材料的内在手性超表面，该超表面利用连续体中的束缚态（BIC）实现了超高的品质因子（Q因子达到3722）和接近单位的圆二色性（CD > 0.99）。通过精细调控结构的对称性破坏，研究者能够精确控制超表面的手性响应，这对于实现高效的光-物质相互作用和提高光学器件性能具有重要意义。
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研究者进一步通过将石墨烯集成到超表面中，形成了石墨烯-硅混合超表面。这种混合超表面能够实现对左右手圆偏振光（RCP/LCP）的选择性吸收，并且通过调节石墨烯的费米能级和结构的倾斜角度，可以主动调节吸收强度。这种动态可调谐性为光学滤波器、偏振探测器和手性成像等领域提供了新的应用前景，展示了超材料在光学器件设计中的灵活性和多功能性。
研究背景
手性是指物体与其镜像无法重合的几何特性，在自然界中广泛存在，如DNA的双螺旋结构和海螺的形态。手性光学效应源于光与手性结构相互作用时产生的不同振幅、相位和场分布，这些效应在分析化学、应用医学和等离子体传感等领域具有重要的应用价值。然而，自然界中的手性材料通常手性光学效应较弱。随着纳米科学的发展，研究人员已经能够通过人工设计的手性超材料实现远超自然界材料的手性光学效应。这些超材料通过增强光与物质的相互作用，实现由表面等离子体驱动的手性光学效应。尽管如此，这些基于传统金属超材料结构的模式通常是宽带的，并且伴随着不可避免的金属损耗。对于生物传感等应用，需要窄带宽和高Q因子的圆二色性来减少或消除错误。近年来，连续体中的束缚态（BICs）为手性光子学研究提供了一种解决方案，理论上具有无限高的Q因子，极大地促进了光物质相互作用。
本文提出了一种基于BIC的内在手性硅超表面设计，通过打破结构的平面内和平面外对称性，精确控制基于BIC的内在手性，为光学滤波器、偏振探测器和手性成像等领域的应用提供了新的见解。
研究内容
图1：展示了硅超表面支持的手性准束缚态（q-BIC）结构示意图，该结构由带有孔洞的倾斜长方体结构组成。圆偏振光垂直于负Z方向注入超表面。(b)和(c)展示了单元格结构的前视图和俯视图，其中结构参数P = 750纳米，Lx = Ly = 380纳米，R = 54纳米，H = 290纳米。(d)和(e)展示了当不对称扰动为0时，Γ点附近本征模式的能带结构和Q因子。
图2：展示了在引入不对称参数前后，本征偏振态、透射分量的振幅特性以及圆二色性（CD）光谱。在本征偏振态中，黑色实线代表线偏振态，蓝色和红色椭圆分别代表右手和左手圆偏振态，黑色点代表涡旋偏振奇点V点，而蓝色和红色点分别代表C+和C-点。(a-b) d = 0, φ = 0。(c-d) d = 20纳米, φ = 0。(e-f) d = 20纳米, φ = 0.08弧度。(g-h) d = 20纳米, φ = −0.08弧度。
图3：展示了在保持平面内不对称参数d = 20纳米的情况下，结构的平面外倾斜参数φ变化时，共极化透射振幅的趋势图。(a) 右手圆偏振波。(b) 左手圆偏振波。
图4：展示了手性q-BIC的特征。(a) 手性q-BIC模式的远场散射截面的笛卡尔多极展开。(b) 在磁偶极控制下的手性q-BIC共振磁场分布，白色箭头表示平面内电场矢量。(c)和(d)分别展示了模式Q因子随平面内和平面外不对称参数的变化趋势。
图5：在斜入射圆偏振波下外在手性的示意图。(a) 示意了光波的斜入射，其中θ1是光波的入射角，θ2是入射光波的方位角。(b) CD光谱随θ1的变化。(c) 当θ1 = 0.16弧度时，CD随入射光波的方位角θ2的变化。(d)和(e) 当θ1 = 0.16弧度时，θ2在0°和180°时的透射光谱分量和CD光谱。
图6：石墨烯-硅混合超表面的选择性光吸收。(a) 石墨烯-硅混合超表面示意图。(b)和(c)当d = 20纳米和φ = 0.08弧度时，石墨烯费米能级EF变化时，RCP和LCP吸收的趋势。(d)和(e)当d = 20纳米和EF = 0.44电子伏时，RCP和LCP吸收率与结构平面外倾斜角φ的关系。(f)和(g)在临界耦合状态下，当d = 20纳米和EF = 0.44电子伏时，φ = 0.08弧度和φ = −0.08弧度时，RCP和LCP的吸收光谱和CDA光谱。
总结与展望
研究者们通过打破硅超表面的平面内和平面外对称性，成功实现了具有超高Q因子（Q = 3722）和接近单位圆二色性（CD > 0.99）的内在手性准束缚态（q-BIC）。他们展示了通过调整结构参数，可以在不引入额外不对称性的情况下，利用斜入射圆偏振光实现外在手性，并通过改变入射角度来控制手性翻转。此外，通过引入石墨烯构建的石墨烯-硅混合超表面，实现了对左右手圆偏振光的选择性吸收，并且通过调节石墨烯的费米能级和结构的倾斜角度，可以主动调节吸收强度。这些发现不仅为理解和设计具有内在手性的光学结构提供了新的见解，而且为动态显示、光学滤波器和手性传感等领域的应用开辟了新的可能性。研究者们认为，这种基于石墨烯-硅超表面的强烈可调谐性，将推动未来光学器件的发展，特别是在需要精确控制光与物质相互作用的领域。
文献详情
https://doi.org/10.1364/OE.530418
