雅努斯连续谱束缚态

  光子晶体中的连续谱束缚态（Bound States in the Continuum, BIC）因其独特的光学性质和拓扑特性，在增强光与物质相互作用、非线性光学效应、手性光辐射，以及光电器件的性能优化与小型化方面展现了重要的应用潜力。香港科技大学的陈子亭课题组与武汉大学肖孟课题组合作提出了一种全新的BIC——雅努斯（Janus）BIC。这种BIC具有奇特的拓扑特性，其周围模式的远场辐射在上下辐射通道中呈现不同的拓扑荷。

  为了实现这一新颖的BIC，研究团队设计了一种双层光子晶体平板。该晶体平板最初具备面内与面外镜面对称性，并在Γ点处存在一个BIC，同时在Γ点之外存在两个BIC。通过引入特定的微扰破坏其面外镜面对称性，两个非Γ点的BIC被分解为四个具有相同拓扑荷的圆偏振态（C点），每个拓扑荷为原始BIC的一半，同时保留了Γ点处的BIC。研究团队进一步选择性地操控向下辐射通道中的四个C点与Γ点处的BIC相合并，从而实现了在上下辐射通道中具有不同拓扑荷的Janus BIC。此外，通过引入面内镜面对称性的微扰，研究团队成功将两个具有相同手性与相同拓扑荷的C点合并到Janus BIC中，最终实现了真正的手性BIC。这种手性BIC展现了极大的固有手性与无限大的品质因子，突破了传统BIC无法实现真正手性BIC的限制。值得注意的是，Janus BIC能够在不同的入射通道中引发动量空间内的不同的几何相位奇点，为光学轨道角动量的控制提供了一种全新的方法。这一特性使其在光通信和量子信息处理领域具有重要的应用前景。

  该研究在拓扑光学领域做出了重要的理论创新，首次提出了Janus BIC这一全新的拓扑缺陷态，并成功实现了手性BIC，同时发展了新的几何相位奇点操控方式。这不仅从理论上拓展了BIC的物理边界，还为光通信、量子信息处理及手性光电器件的发展提供了新的思路与平台。通过引入Janus BIC，研究者为更复杂的光学操控创造了新的可能性，尤其是在光传播方向、手性以及几何相位的控制方面。

图1：雅努斯连续谱束缚态（Janus BIC）概念示意图及其实现过程。面外镜面对称性被破坏后，两个非Γ点的BIC被分解为四个圆偏振态（C点），Γ点处的BIC被保留。通过进一步选择性地操控向下辐射通道中的四个C点与Γ点处的BIC相合并，实现了Janus BIC。面内镜面对称性被破坏后，两个具有相同手性与相同拓扑荷的C点被合并到Janus BIC中，从而实现了手性Janus BIC。

全文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.013805