中大新聞網訊（通訊員雷世菁）中山大學光電材料與技術國家重點實驗室、物理學院董建文教授團隊發現了雙層超構光柵具有贗偏振拓撲屬性，闡明了連續域束縛態和單向導模共振等拓撲光學模式是兩類特殊的贗偏振圖像。同時，拓撲保護下的非對稱輻射可以被用于相位差連續可調的相干完美吸收。該工作為理解微納亞波長結構中非對稱輻射光學行為的拓撲性質提供了新的視角，有望實現光控和非對稱動態調制的新型光子器件，在光電探測、熱輻射、micro-LED控光、量子發射等領域具有廣闊的應用前景。
非對稱輻射是微納亞波長結構（如超構光柵、光子晶體）常見的光學特性，它表現為向上/下輻射場振幅和相位的差異性。一方面，上下輻射振幅差異（單向度）是影響光效利用率的關鍵，在光學微腔、片上激光器、光學天線等微納亞波長光子元件研究中得到廣泛關注；另一方面，上下輻射相位差是實現相干光調控的物理基礎，如相干吸收，光控開關等。因此，對非對稱輻射行為的深入理解和靈活調控，將對非對稱光調控應用具有十分重要的意義。
近年來，以光子晶體平板為代表的周期性微納亞波長結構中的遠場偏振渦旋受到了廣泛關注。基于偏振渦旋的圖像，研究者們揭示了連續域束縛態（Bound state in the continuum，BIC）和單向導模共振（Unidirectional guided resonance，UGR）兩類特殊非對稱輻射背后的拓撲屬性。然而，對于一般的非對稱輻射，即任意的單向度和相位差，動量空間偏振渦旋的圖像難以完整描述，極大限制了對非對稱輻射演化規律和調控機制的探索。
董建文教授團隊在能谷波導【Nat. Mater. 16, 298 (2017), Nat. Commun. 10, 872 (2019)】、角態微腔【Physical Review Letters 122, 233902 (2019)，Natl. Sci. Rev. 10, nwac289 (2023)】等前期研究基礎上，將拓撲光學原理引入超構光柵的非對稱輻射研究。研究團隊提出了一般非對稱輻射的贗偏振物理圖像，將任意非對稱輻射一一映射到贗偏振的幾何參量（圖1（a））。結合龐加萊球，研究團隊發現BIC和UGR分別對應于球心和S2軸的極點，而一般非對稱輻射行為則可以由龐加萊球球面完整描述（圖1（b））。以雙層超構光柵為例，研究團隊進一步研究了合成參數空間kx - Δg中贗偏振渦旋的形成機制和演化規律。研究團隊發現BIC在參數空間中誘導了帶整數拓撲荷的贗偏振渦旋（圖1（c））。當打破空間反演對稱性時，贗偏振渦旋將分裂為一對半整數的圓偏振點（圖1（d）），這使得龐加萊球球面可以被大范圍覆蓋，由此可基于雙層超構光柵實現輻射單向度和相位差的獨立調控。進一步，研究團隊演示了相位差連續可調的相干完美吸收新應用（圖1（e））。相干完美吸收機制能極大增強弱吸收材料的光吸收能力，也被稱為反激光。研究團隊通過理論分析指出非對稱輻射調控可以應用于定制化設計相干完美吸收條件。前文的研究中，拓撲荷守恒律保證了參數空間一對圓偏振點穩定存在，進而保證了相干完美吸收的入射光相位差在-π/2到π/2范圍內連續可調。研究團隊通過理論計算和全波模擬表明，相干吸收大小可以通過入射光相位差靈活調控，且峰值對應相位差可以在-π/2到π/2內定制化設計（圖1（f））。
圖1. (a) 上下輻射振幅和相位不同的非對稱輻射；(b) 任意非對稱輻射的龐加萊球表示；(c, d) 打破空間反演對稱性前后的贗偏振場分布；(e) 相干吸收示意圖；(f) 不同輻射相位差情況下，相干吸收隨入射光相位差的變化。
相關研究成果以“Topological Nature of Radiation Asymmetry in Bilayer Metagratings”為題，于2024年3月11日發表于國際著名期刊《Physical Review Letters》。中山大學為該成果的唯一署名單位，物理學院博士生莊澤鵬為第一作者，董建文教授為唯一通訊作者。物理學院陳曉東副教授、何辛濤副教授和博士生曾浩龍也為本工作做出了重要貢獻。該工作得到了國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃、廣東省首批卓越青年團隊項目的大力支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.113801
