「我們測到了高達 2750 的 Q 值，是已有文獻紀錄值數倍之高，並實作了超長的光子壽命和超慢的光速，將光速減慢了 1 萬倍以上。」 中國科學院深圳先進技術研究院李光元副研究員表示。
圖 | 李光元（來源：李光元）
本次成果的另一大創新之處在於：由於面內電四偶極表面晶格共振在 Γ 點具備轉換為連續域束縛態的特性。
而面內電四偶極表面晶格共振與電偶極表面晶格共振在耦合之後，所能實作的類電磁誘導透明現象，也繼承了連續域束縛態的特性。
這時，在入射角或放射線角趨於 0 時，Q 值和群折射率也趨於無窮大。因此，基於這種具有連續域束縛態特性的類電磁誘導透明現象，有望實作趨於零的光速（即光凍結）。
研究中，課題組透過超構表面類電磁誘導透明現象實作了慢光效應，因此很有希望用於非線性光學、光傳感和光時延等套用場景中，從而 極大增加超構表面中光與物質的有效作用距離，進而極大提高超構表面光子芯片器件的效能，進而加快這些器件的產業化。
對於類電磁誘導透明慢光效應來說，它由兩種表面晶格共振形成的而來。而被極大增強的近場電場，主要分布在奈米結構之外的範圍內。
這樣一來，就能極大增強光與奈米結構外的物質、與有源材料之間的交互作用， 借此大大提高發光顯示、夜視成像、電光調變、生化痕量光學傳感、非線性光學頻率轉換等器件的效能。
從光速變緩說起
要想理解本次成果，先要從慢光效應說起。這種效應是指光速減慢乃至停滯的物理現象。由於光速減慢，光的能量密度增大，光與物質之間的等效作用距離拉長，從而能在更短的光電器件尺寸上獲得更高的效能。
因此，在光傳感、光調變、光互連、光緩存、乃至光合作用等領域，慢光效應都具有重要的套用價值。
1999 年，美國哈佛大學團隊首次采用電磁誘導透明（EIT，Electromagnetic induced transparency）技術，在 450nK 的超冷原子氣中，把光速成功減到 17m/s。2000 年，在上述團隊的努力之下，成功將光凍結 1 分鐘。
然而，對於這種電磁誘導透明慢光實驗來說，不僅實驗條件十分苛刻，實驗裝置也極其冗雜，極大阻礙了該類技術的實用化。
之後，基於布拉格光柵、受激布里元散射、光子晶體等，人們發展了多種慢光方法。然而，這些方法的光速減慢效能，均會受到損耗問題的限制。
近年來，超構材料和超構表面——被廣泛認為是光電器件的顛覆者。2008 年，學界首次在基於金屬材料的超構材料和超構表面中，利用「明」和「暗」兩種局域等離激元模式（LSPRs，Localized surface plasmon resonances）的法諾共振，實作了類電磁誘導透明的現象和慢光效應。
當處於光波段的時候，類電磁誘導透明結構——是一種最常用的超構表面，它的外觀呈現出一張 π 型結構，由一對奈米長棒和一對奈米短棒組成。
其中，奈米長棒支持電偶極 LSPR（「明」模式），奈米短棒支持電四偶極 LSPR（「暗」模式）。
然而，金屬材料的吸收損耗、以及奈米結構的散射損耗都比較高。在這種情況之下，等離激元超構表面的類電磁誘導透明效應的品質因子（Q 值）極低甚至低於 20，從而導致慢光系數僅有 40 左右，這意味著光速只能被減慢 40 倍。
為了降低材料的吸收損耗，2014 年有研究人員采用全電介質超構表面，來實作類電磁誘導透明現象，即利用兩個米氏局域模式之間的法諾共振，讓 Q 值達到 380 左右。
在這些局域型超構表面類電磁誘導透明的效應中，為了獲得較高的 Q 值和透射率，需要將分別支持「明」「暗」模式的兩種奈米結構盡量地靠近，而這會給奈米加工提出極高的挑戰。
由於超構表面的厚度極薄，其在光波段的厚度一般僅為幾十到數百奈米不等，導致光與物質的作用距離十分有限，這限制了超構表面光子芯片器件實用化，也是超構表面光子芯片產業化所面臨的一大「痛點」。
（來源：Nano Letters）
助力超構表面芯片器件的光減速
而在本次研究之中，課題組將兩種電介質奈米結構的間距取為 0，即將兩者合並為一個奈米結構。此時，由這種結構所支持的米氏電偶極和電四偶極局域模式，分別處於不同的頻率位置，無法被調諧到相同頻率。
這樣一來，進一步地將這兩個米氏局域模式，分別與沿著面內 x 和 y 方向兩個方向的瑞立異常繞射相幹進行耦合，從而獲得米氏電偶極表面晶格共振和電四偶極表面晶格共振。
透過調節 x 或 y 方向的晶格周期，可以使這兩個表面晶格共振的共振頻率相同，二者透過法諾共振能夠實作超構表面類電磁誘導透明現象。
表面晶格共振的好處在於，面對已經極大增強的近場電場，它能將後者從奈米結構中拉出來。這時，材料的吸收損耗就會被極大抑制。
同時，奈米結構對於光的面內散射，能被陣列中的其他奈米結構捕獲，這樣一來光子壽命就能被延長，散射損耗也會被極大抑制。
進一步地，這種依靠兩種米氏表面晶格共振實作的類電磁誘導透明現象，就能擁有超高的 Q 值。
據介紹，該團隊長期致力於研究超構表面的損耗抑制機理。就本次研究來說，他們最初希望透過探索米氏電四偶極表面晶格共振這種高階模式，來獲得具有超低損耗的超構表面。
在進行仿真研究的時候，他們偶然發現同時存在的米氏電偶極表面晶格共振和電四偶極表面晶格共振，可以分別透過改變 x 和 y 方向的晶格周期，來獨立地調控其共振波長。
當二者共振波長相同也就是失諧為 0 的時候，開始出現超高 Q 值的超構表面類電磁誘導透明現象，從而能夠獲得極強的慢光效應。
透過一系列的實驗，課題組確定所觀察到的現象，確實是類電磁誘導透明現象。同時，他們還設計了一系列參數，確保可以測量到超高 Q 值。
而在實驗驗證階段，他們累計進行三次獨立的樣品加工和光學測試，反復確認了實驗現象和實驗數據的可靠性。
而在仿真最佳化和實驗設計階段，該團隊原本只探討了如下這種現象：即由直入射激勵的、不具有連續域束縛態特性的類電磁誘導透明慢光現象。
然而，在多次實驗驗證之中，他們發現了兩個意外現象：
其一，在原本不具有類電磁誘導透明慢光現象的樣品中，發現了一個非預期的類電磁誘導透明視窗；
其二，在原本具有一個類電磁誘導透明視窗的樣品中，發現兩個類電磁誘導透明視窗。
為了理解這些奇異現象，他們針對實驗光路進行了仔細檢查，結果發現由於樣品沒有完美垂直於入射而光導致了上述現象，這意味著入射光在略微偏離直入射時，也能誘導一個新的類電磁誘導透明視窗。
於是基於這些樣品，他們在改變入射角的情況下，開展了新的實驗，並首次發現了這種具有連續域束縛態特性的類電磁誘導透明慢光現象。
盡管該團隊沒能按照原計劃做研究，但是這個出乎意料的類電磁誘導透明慢光效應，比原定的課題內容更加重要。因為對於超構表面芯片器件的光減速來說，本次成果提供了一種簡單可行的有效途徑。
最終，相關論文以【集體-集體耦合引起的超高 Q 值超表面透明帶】（Ultrahigh-Q Metasurface Transparency Band Induced by Collective–Collective Coupling）為題發在 Nano Letters [1]。Zhao Xueqian 是第一作者，李光元擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nano Letters）
力爭實作 100% 的技術轉化率
未來，針對具有連續域束縛態特性的超構表面類電磁誘導透明慢光效應，他們將開展進一步的挖掘，爭取實作「光速能被減慢十萬倍乃至上百萬倍」的超構表面類電磁誘導透明現象。
同時，針對慢光效應在超構表面光子芯片、特別是在生化光傳感芯片和發光芯片等器件上的實際套用，他們也將啟動進一步的探索。
而對於李光元所在的中國科學院深圳先進技術研究院，人們可能更加熟悉這裏的生物醫學成果。
事實上，資訊科技（IT，Information Technology）和生物科技（BT，Bioresource Technology）都是影響人類發展的重要技術，前者是過去數十年全球發展的重要推動力，後者則是各國一致看好的具有巨大發展潛力的領域。
同時，在 IT 與 BT 這兩個領域愈發顯示出交叉融合發展的趨勢。李光元表示：「中國科學院深圳先進技術研究院聚焦 IT 與 BT 的融合發展，致力於為生物醫學和生命健康領域提供新方法、新工具和新材料。」
他所在的光電工程技術中心在呂建成研究員的帶領下，旨在以市場為導向，主要面向工業安防、生命健康和海洋環境開展光電成像和傳感的共性關鍵技術和儀器裝置的研發，力爭實作 100% 的技術轉化率。
參考資料：
1.Zhao, X., Huang, R., Du, X., Zhang, Z., & Li, G. (2024). Ultrahigh-Q Metasurface Transparency Band Induced by Collective–Collective Coupling. Nano Letters.
營運/排版：何晨龍
