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)國家重點實驗室、物理學(xué)院董建文教授團隊發(fā)現(xiàn)了雙層超構(gòu)光柵具有贗偏振拓撲屬性，闡明了連續(xù)域束縛態(tài)和單向?qū)９舱竦韧負涔鈱W(xué)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(xù)可調(diào)的相干完美吸收。該工作為理解微納亞波長結(jié)構(gòu)中非對稱輻射光學(xué)行為的拓撲性質(zhì)提供了新的視角，有望實現(xiàn)光控和非對稱動態(tài)調(diào)制的新型光子器件，在光電探測、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。
非對稱輻射是微納亞波長結(jié)構(gòu)（如超構(gòu)光柵、光子晶體）常見的光學(xué)特性，它表現(xiàn)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(guān)鍵，在光學(xué)微腔、片上激光器、光學(xué)天線等微納亞波長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現(xiàn)相干光調(diào)控的物理基礎(chǔ)，如相干吸收，光控開關(guān)等。因此，對非對稱輻射行為的深入理解和靈活調(diào)控，將對非對稱光調(diào)控應(yīng)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(jié)構(gòu)中的遠場偏振渦旋受到了廣泛關(guān)注?；谄駵u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(guī)律和調(diào)控機制的探索。
董建文教授團隊在能谷波導(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，將拓撲光學(xué)原理引入超構(gòu)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(jié)合龐加萊球，研究團隊發(fā)現(xiàn)BIC和UGR分別對應(yīng)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(gòu)光柵為例，研究團隊進一步研究了合成參數(shù)空間kx - Δg中贗偏振渦旋的形成機制和演化規(guī)律。研究團隊發(fā)現(xiàn)BIC在參數(shù)空間中誘導(dǎo)了帶整數(shù)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(shù)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(gòu)光柵實現(xiàn)輻射單向度和相位差的獨立調(diào)控。進一步，研究團隊演示了相位差連續(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(diào)控可以應(yīng)用于定制化設(shè)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(shù)空間一對圓偏振點穩(wěn)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(nèi)連續(xù)可調(diào)。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(diào)控，且峰值對應(yīng)相位差可以在-π/2到π/2內(nèi)定制化設(shè)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(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。該工作得到了國家自然科學(xué)基金重點項目、國家重點研發(fā)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
