南科大团队在太赫兹波束控制领域取得多项国际领先的突破

近日，南方科技大学电气与电子工程系丛龙庆副教授团队在国际学术期刊 Science Advances 以“High efficiency active membrane metasurfaces”为题发表最新研究成果。团队提出了一种基于宽带 Kerker 效应与准束缚态(q-BIC)物理机制的新型“高效率主动调制薄膜超表面”，在太赫兹波束控制领域取得多项国际领先的突破。

研究团队成功构建了一种兼具超高效率、低能耗、强频谱和空间选择的薄膜超表面，实现了太赫兹波束的高精度定向偏折。实验显示，该器件的绝对偏折效率高达92%，线宽窄至4GHz，空间发散角仅2.8°，品质因数高达114，并在极低光泵阈值下实现了94%的调制深度，整体性能达到当前同类技术的国际最高水平。

更为重要的是，该设计突破了传统单点 Kerker 效应难以在完整2π相位调制范围内保持高效率的根本瓶颈(图1A-1C)，实现了在全相位覆盖区间内所有结构单元接近100%的光场透射效率(图1D-1F)。通过对q-BIC色散机制的调控，并与拓展的宽带 Kerker 效应深度耦合，团队构建了一个同时具备高效率、高空间和频率选择性及低阈值调制的新型薄膜超表面光场调控架构。

图1.单点与宽带模式简并诱导的 Kerker 效应

传统设计中，单点电偶与磁偶简并相对容易实现，但模式间不可避免的耦合始终阻碍着宽带简并的实现。本研究将设计范式从传统的参数空间扩展至动量空间，利用整个动量空间进行联合优化，有效解决以往难以突破的宽带模简并难题。

在这一新框架下，团队首次在动量空间实现了双模的宽带简并，即宽带 Kerker 效应。通过将矩形晶格的Y点模式折叠至Γ点，获得了兼具高稳定性与高Q因子的带折叠 BIC 模式(图2A–2D)，使其在宽波矢范围内保持稳健的简并特性(图2B、2F)。随后，通过引入微弱结构不对称，团队精确调控远场辐射泄漏，使两条模式在0.542 THz实现频率与Q因子的同步交叉(图2E、2F)。最终构建的硅基薄膜超表面在实验中表现出超过96%的高透过率、完整的2π相位覆盖，以及高达33倍的局域场增强，为宽带 Kerker 效应的高效率、高品质因数的实现奠定物理基础(图2G、2H)。

图2.通过能带折叠实现多点简并下的 Kerker 效应

依托超高透射效率的单元设计，团队制备了仅需调控单一参数，即y轴周期的相位梯度超表面，并在实验中实现了卓越的太赫兹波束偏折性能(图3A)。角分辨时域谱测量显示，器件在极窄频谱宽度内将92%能量定向偏折至+1级衍射方向，同时在0级衍射处实现完全抑制(图3B-3E)。得益于q-BIC赋予的窄带共振特性，偏折光束呈现仅2.8°的超小发散角以及高达114的Q值，兼具极高的光谱与空间选择性(图3F)。如此将超高效率、自由支撑薄膜结构与窄带高Q控制集成于同一器件，在太赫兹波束操控领域前所未有，为下一代高性能、低能耗的光子器件提供了强有力的平台支撑。

图3.基于 Kerker 效应的膜膜超表面的实验结果

本研究通过实验验证了高Q值+1级衍射光束的低阈值调制能力。双q-BIC简并确保了在低损耗条件下实现完整的2π相位覆盖，而损耗反转会触发明确的相位跃迁，从而影响 Kerker 效应的保持(图4A)。在仅0.53 W/cm2的连续光泵下，衍射强度从92%降至5.8%，调制深度高达94%(图4B-4F)，远优于未图案化硅薄膜的不足7%的调制表现。实验进一步表明，该平台在脉冲激光激发下具备低阈值特性，展示出利用BIC提升Q值、实现更窄带选择性与更低调制能耗的巨大潜力，为下一代高速、低功耗太赫兹调控器件奠定基础。

图4.低阈值调制的实验结果

南方科技大学助理研究员凡俊兴、上海交通大学周叶副教授为论文共同第一作者，丛龙庆为论文通讯作者。南科大博士研究生薛占强、博士后许桂珍、硕士研究生陈俊良、博士研究生邢宏阳等亦为本工作作出了重要贡献。本研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金、广东省量子科学战略专项、深圳市科技计划以及南方科技大学高水平专项资金等项目的支持。

审核编辑 黄宇