在光學超表面中,連續(xù)域束縛態(tài)(BIC)作為一種動量空間中的偏振渦旋奇點,攜帶整數(shù)化拓撲荷而展現(xiàn)出豐富的拓撲光學性質(zhì),且理論上具有無限大的品質(zhì)因子(Q值),為實現(xiàn)超低閾值激光、超高靈敏度傳感及光場操控提供了理想平臺。BIC的拓撲性質(zhì)受到對稱性的嚴格約束,不同的對稱性通常對應(yīng)不同的拓撲荷,目前報道的研究工作主要聚焦于對稱性所允許的特定拓撲荷。然而,一個常被忽略的事實是:在同一對稱性保護下,BIC允許多重拓撲荷的存在。因此,如何在保持結(jié)構(gòu)對稱性不變的條件下,實現(xiàn)BIC拓撲荷從低階到高階的動態(tài)調(diào)控,仍是光學超表面領(lǐng)域中一個重要挑戰(zhàn)。
近日,中國科學院物理研究所綜合極端條件裝置微加工實驗室技術(shù)團隊設(shè)計并制備了一種具有三重旋轉(zhuǎn)對稱性的雙層二氧化鈦光學超表面,僅需調(diào)節(jié)兩層超表面間隔層厚度,即可直接誘導BIC拓撲荷發(fā)生從低階(+1)到高階(-2)的躍變,而無需打破結(jié)構(gòu)對稱性。團隊采用微擾理論嚴格解析了近BIC共振態(tài)的遠場偏振矢量,揭示了實現(xiàn)拓撲躍遷的物理機制:當間隔層厚度滿足特定條件時,上下兩層結(jié)構(gòu)荷載的準BIC輻射態(tài)會發(fā)生相消干涉。這種干涉不僅直接觸發(fā)了拓撲荷的跳變,同時抑制能量耗散,使近BIC共振態(tài)Q值大幅度提升。在實驗上,團隊采用電子束光刻套刻與旋涂玻璃(SOG)間隔層工藝,成功制備出對準精度極高的雙層超表面樣品,并通過角分辨反射光譜測量清晰地觀測到了拓撲荷躍遷對應(yīng)的光譜特征,同時驗證了相消干涉對諧振模式Q值的顯著增強效應(yīng)。
該工作首次在光學超表面中實現(xiàn)了保持對稱性不變的BIC拓撲荷動態(tài)操控,突破了以往必須通過打破對稱性來調(diào)控拓撲性質(zhì)的固有觀念,為探索光學超表面的新奇拓撲光學特性提供了新方案。相關(guān)研究成果以“Destructive Interference Mediated Topological Transitions in Bilayer Metasurfaces”為題發(fā)表于Physical Review Letters 136, 043801 (2026) 上。該工作得到了國家自然科學基金、中國科學院基礎(chǔ)領(lǐng)域青年團隊計劃及懷柔綜合極端條件實驗裝置的支持。
該工作由綜合極端條件實驗裝置微加工實驗室技術(shù)團隊獨立完成。實驗室為樣品加工以及光譜測量提供了所有的實驗支撐。其中,雙層光學超表面微加工中電子束光刻套刻工藝使用Raith EBPG 5200高壓電子束曝光機完成,通過優(yōu)化曝光工藝,使套刻誤差保持在10nm以內(nèi);氧化鈦薄膜沉積采用Veeco原子層沉積系統(tǒng)完成,所沉積的氧化鈦薄膜厚度控制精確;氧化鈦納米柱結(jié)構(gòu)采用魯汶ICP-RIE刻蝕機完成,所得到的氧化鈦納米結(jié)構(gòu)表面光滑、側(cè)壁陡直;光學超表面的光譜測量采用復享光學的角分辨光譜系統(tǒng)ARMS完成。
文章鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/646c-jc6s

圖a 雙層氧化鈦超表面示意圖;b 共振態(tài)遠場輻射相消干涉理論預測;c 不同厚度中間層超表面共振態(tài)在動量空間中遠場偏振矢量分布;d 套刻工藝加工的雙層超表面;e,f 實驗測量的角分辨反射光譜