科研进展
《自然•综述•物理》刊登课题组综述文章
2023年10月，武汉大学肖孟课题组与香港科技大学的陈子亭课题组联合发表一篇综述文章，讨论了连续谱束缚态（BIC）的独特光学性质，回顾其在光子学领域的多种应用，并对该研究领域的发展方向做出展望。该综述以“Applications of bound states in the continuum in photonics”为题发表在权威期刊《自然•综述•物理》（《Nature Reviews Physics》）上。
BIC具有独特的光学性质。它能够在连续谱中将光高效地束缚在光学腔内，引起尖锐的法诺共振以及周围模式的远场辐射具有拓扑奇异性。BIC是一种普遍存在的波现象。相比于量子体系，光学系统灵活多样，已经发展为研究与探索BIC的优良平台。通常可以通过对称性不匹配或者辐射的完全相干相消在光学系统中实现BIC。
BIC能有效地抑制光的辐射，将光局域在微纳光学腔内，增强电磁场，从而加强光与物质的相互作用强度与时间，有助于优化光子器件性能。在激光应用方面，BIC可降低激光阈值实现小型化、克服量子噪声降低激光线宽、保持大尺寸单模输出、实现定向辐射，以及增强手性光与物质的相互作用实现手性发光。在非线性光学领域，BIC可显著提高非线性频率转换效率，实现亚波长介质谐振器中高效的二次谐波和高次谐波的产生，以及在超表面中实现高效的非线性光学效应与纠缠光子对产生。在光子集成电路中，BIC有助于克服波导的辐射耗散，如通过消除辐射损耗实现超低损耗的零折射率材料，或利用低折射率材料波导构建光子集成电路。此外，BIC引起的法诺共振具有超高的品质因子,可用于实现高灵敏度的折射率传感和分子指纹的精细分辨，进而设计高性能的生物化学传感器。BIC具有拓扑性，在结构参数改变时可以保持稳定存在。当对称性降低时，拓扑荷维持不变，BIC转变为圆偏振态与单向导模共振态。通过偏振涡旋场可以实现偏振转换和几何相位的产生。动量空间中的几何相位梯度能够产生涡旋光和增强光束的位移效应。
最后，文章展望了BICs与新兴研究领域的结合，如奇偶-时间对称系统、高阶拓扑相、激子-光子耦合和莫尔超晶格。例如，BIC可以与成对奇异点的体费米弧相互作用从而改变体费米弧的拓扑荷、存在于连续体态内的拓扑角态、莫尔超晶格内的BIC，以及激子极化激元BIC。
图1 BIC的光学性质与应用概述。包括光束缚、法诺共振、拓扑性,以及在非线性效应、激光、零折射率材料波导、光子集成电路、传感、超表面、涡旋光束和光开关中的广泛应用。
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https://doi.org/10.1038/s42254-023-00642-8