中大新聞網(wǎng)訊（通訊員雷世菁）中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院董建文教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了雙層超構(gòu)光柵具有贗偏振拓?fù)鋵傩裕U明了連續(xù)域束縛態(tài)和單向?qū)９舱竦韧負(fù)涔鈱W(xué)模式是兩類特殊的贗偏振圖像。同時(shí)，拓?fù)浔Ｗo(hù)下的非對(duì)稱輻射可以被用于相位差連續(xù)可調(diào)的相干完美吸收。該工作為理解微納亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中非對(duì)稱輻射光學(xué)行為的拓?fù)湫再|(zhì)提供了新的視角，有望實(shí)現(xiàn)光控和非對(duì)稱動(dòng)態(tài)調(diào)制的新型光子器件，在光電探測(cè)、熱輻射、micro-LED控光、量子發(fā)射等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
非對(duì)稱輻射是微納亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)（如超構(gòu)光柵、光子晶體）常見(jiàn)的光學(xué)特性，它表現(xiàn)為向上/下輻射場(chǎng)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(guān)鍵，在光學(xué)微腔、片上激光器、光學(xué)天線等微納亞波長(zhǎng)光子元件研究中得到廣泛關(guān)注；另一方面，上下輻射相位差是實(shí)現(xiàn)相干光調(diào)控的物理基礎(chǔ)，如相干吸收，光控開(kāi)關(guān)等。因此，對(duì)非對(duì)稱輻射行為的深入理解和靈活調(diào)控，將對(duì)非對(duì)稱光調(diào)控應(yīng)用具有十分重要的意義。
近年來(lái)，以光子晶體平板為代表的周期性微納亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中的遠(yuǎn)場(chǎng)偏振渦旋受到了廣泛關(guān)注。基于偏振渦旋的圖像，研究者們揭示了連續(xù)域束縛態(tài)（Bound state in the continuum，BIC）和單向?qū)９舱瘢║nidirectional guided resonance，UGR）兩類特殊非對(duì)稱輻射背后的拓?fù)鋵傩浴Ｈ欢瑢?duì)于一般的非對(duì)稱輻射，即任意的單向度和相位差，動(dòng)量空間偏振渦旋的圖像難以完整描述，極大限制了對(duì)非對(duì)稱輻射演化規(guī)律和調(diào)控機(jī)制的探索。
董建文教授團(tuán)隊(duì)在能谷波導(dǎo)【Nat. Mater. 16, 298 (2017), Nat. Commun. 10, 872 (2019)】、角態(tài)微腔【Physical Review Letters 122, 233902 (2019)，Natl. Sci. Rev. 10, nwac289 (2023)】等前期研究基礎(chǔ)上，將拓?fù)涔鈱W(xué)原理引入超構(gòu)光柵的非對(duì)稱輻射研究。研究團(tuán)隊(duì)提出了一般非對(duì)稱輻射的贗偏振物理圖像，將任意非對(duì)稱輻射一一映射到贗偏振的幾何參量（圖1（a））。結(jié)合龐加萊球，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)BIC和UGR分別對(duì)應(yīng)于球心和S2軸的極點(diǎn)，而一般非對(duì)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(gòu)光柵為例，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了合成參數(shù)空間kx - Δg中贗偏振渦旋的形成機(jī)制和演化規(guī)律。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)BIC在參數(shù)空間中誘導(dǎo)了帶整數(shù)拓?fù)浜傻内I偏振渦旋（圖1（c））。當(dāng)打破空間反演對(duì)稱性時(shí)，贗偏振渦旋將分裂為一對(duì)半整數(shù)的圓偏振點(diǎn)（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(gòu)光柵實(shí)現(xiàn)輻射單向度和相位差的獨(dú)立調(diào)控。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)演示了相位差連續(xù)可調(diào)的相干完美吸收新應(yīng)用（圖1（e））。相干完美吸收機(jī)制能極大增強(qiáng)弱吸收材料的光吸收能力，也被稱為反激光。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論分析指出非對(duì)稱輻射調(diào)控可以應(yīng)用于定制化設(shè)計(jì)相干完美吸收條件。前文的研究中，拓?fù)浜墒睾懵杀ＷC了參數(shù)空間一對(duì)圓偏振點(diǎn)穩(wěn)定存在，進(jìn)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(nèi)連續(xù)可調(diào)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論計(jì)算和全波模擬表明，相干吸收大小可以通過(guò)入射光相位差靈活調(diào)控，且峰值對(duì)應(yīng)相位差可以在-π/2到π/2內(nèi)定制化設(shè)計(jì)（圖1（f））。
圖1. (a) 上下輻射振幅和相位不同的非對(duì)稱輻射；(b) 任意非對(duì)稱輻射的龐加萊球表示；(c, d) 打破空間反演對(duì)稱性前后的贗偏振場(chǎng)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(guān)研究成果以“Topological Nature of Radiation Asymmetry in Bilayer Metagratings”為題，于2024年3月11日發(fā)表于國(guó)際著名期刊《Physical Review Letters》。中山大學(xué)為該成果的唯一署名單位，物理學(xué)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(xué)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(xiàn)。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省首批卓越青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的大力支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.113801
