Light | 综述：基于超表面的无辐射模式

▎导读

超表面中的无辐射模式，是指在特定的光谱位置具有强光束缚和巨大Q因子的模式，能够实现对电磁波的高效调控。无辐射模式可大致分为两类，包括高Q因子连续域中的束缚态（Bound states in the continuum, BIC）和相对低Q因子的anapole模式。不同类型的超表面均可用于产生无辐射模式，如等离激元材料、电介质材料、二维过渡金属硫化物（Transition metal dichalcogenides，TMDs）、钙钛矿等，可用于各种线性和非线性纳米光子学应用。

近日，北京理工大学黄玲玲教授团队在Light: Science Applications上发表了一篇题为“Radiationless modes in metasurfaces: recent progress and applications”的综述文章，回顾了多种超表面中BIC和anapole的基础原理、最新进展和应用。

▎等离激元超表面

理想情况下，超表面中产生的无辐射模式BIC的Q因子无穷大，难以被利用，所以通过激发准BIC（Quasi-Bound states in the continuum, Q-BIC）模式来获得较高Q因子。然而，等离激元超表面中固有的欧姆损耗降低了系统的Q-BIC的Q因子。针对另外一种无辐射模式，即anapole模式，是由电偶极子和环向偶极子干涉相消激发。等离激元超表面已被用于增强非线性效应和控制光的偏振性。在普通的光学介质中，非线性效应产生于电场，而在等离激元超表面中非线性效应也可以从磁场中产生。

图1：等离激元超表面中的BIC

▎电介质超表面

利用不同材料，如硅、砷化镓、氮化硅、砷化铟镓和砷化镓等材料组成的亚波长谐振器构成超表面，可产生BIC模式。例如，BIC可由电介质二聚体中激发的具有沿y轴和z轴环形矩的两个本征模式干涉而产生的，这也揭示了环形偶极子与BIC之间的联系。理论和实验上都验证，在多种电介质构型和组合中都存在anapole态。相比于等离激元超表面中固有的低非线性响应，电介质超表面的非线性响应高、损耗低、光局域能力强，这最终导致其能产生大数量级的高频转换。除此之外，多极矩的电磁激励可以进一步提高非线性效率转换。

图2：电介质超表面中的BIC用于增强非线性效应

▎二维过渡金属硫化物（TMDs）超表面

二维过渡金属硫化物具有高可调性和模式叠加特性。据报道，TMDs可以作为超表面纳米天线，支持不同的米氏共振和多种重叠模式。通过构建单层TMDs与电介质结构或光栅结构复合的超表面，能够促进光与物质相互作用。例如，采用支持BIC模式的超表面与单层TMDs结合，能够导致激子-极化子非线性增强，实现100meV光子带隙，拉比分裂能量为70meV。此外，利用硅超表面与TMDs相互耦合激发的BIC模式，能够产生500倍以上的二次谐波增强。类似地，利用TMDs复合结构也能产生anapole共振，以增强光与物质相互作用。近年来，少层TMDs超表面中的BIC被提出，应用于生物传感和滤光等功能。

图3：单层TMD与光栅复合结构中的BIC场增强与能带调控。

图4：TMDs超表面支持的Anapole模式

▎钙钛矿超表面

相比于金属或电介质材料构成的超表面，钙钛矿材料本身具有高发光量子效率、可调谐的带隙以及良好的溶液可加工性，使其构造的超表面可以更加容易激发BIC或Q-BIC。例如，通过设计具有高定向输出、单模运转的钙钛矿超表面可以作为涡旋激光器和室温下超快全光光开关。另外，钙钛矿超表面能够实现自旋-能谷锁定，这是通过在BIC模式上加载光子自旋相关的几何相位来实现的，可被用于提高手性发射器的效率和定向性。

图5：基于钙钛矿超表面所支持的高品质因子BIC用于激光激射。

▎总结与展望

本文详细描述了基于超表面产生BIC和anapole无辐射模式的基本原理，涵盖了关于超表面布里渊区折叠的调控、手性结构中的BIC和anapole的激发、可调谐的辐射和Q因子、TMDs超表面中anapole对于高次谐波的增强、低温和室温下基于钙钛矿和半导体材料超表面的激光激射、双波段极化上转换光致发光和调谐BIC和奇异点等研究，有望应用于光学传感、波前控制、光场调控、发射、激光激射、非线性高次谐波产生等领域。

▎论文信息

Muhammad, N., Su, Z., Jiang, Q. et al. Radiationless optical modes in metasurfaces: recent progress and applications. Light Sci Appl 13, 192 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01548-5