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为提升光与物质相互作用，研究人员设计全介质超表面，获高 Q 因子 Fano 共振，有望用于多领域。
在光学的奇妙世界里，光与物质的相互作用一直是科学家们探索的重要课题。从日常使用的光学镜片，到先进的医疗成像设备，光的有效控制和利用都起着关键作用。超表面（metasurfaces）的出现，就像是给光学领域带来了一把神奇的钥匙，它能以亚波长精度控制光的波前和偏振，为众多领域带来了革命性的应用可能，比如平面光学、太赫兹成像以及生物分子传感等。
然而，超表面这把钥匙目前还存在一些 “小瑕疵”。早期很多超表面实验使用金属作为材料，虽然金属能实现极端的光约束和局部强度增强，但在与光的相互作用过程中，会产生大量的热。这是因为金属表面存在较高的固有和辐射损耗，而且激光损伤阈值低，导致等离子体纳米结构的整体效率一直不高。于是，全介质超表面应运而生，它就像是超表面世界里的 “改良版钥匙”。高折射率（HRI）的介质超表面能更高效地操纵和传输光，具有更低的欧姆损耗和更少的热效应，其中硅（Si）就是一种性能优异的高折射率介质。
在此基础上，连续域束缚态（Bound states in the continuum，BICs）与全介质超表面的结合成为了新的研究热点。BICs 就像是超表面中的 “隐藏宝藏”，它是一种离散状态，能与辐射波的连续谱共存，同时保持完美的局域化。在理论上，BICs 的 Q 因子无限大，但在实际中却难以观测。不过，当打破超表面的面内对称性时，BICs 就会变成 q - BICs，就像是 “宝藏被解锁”，可以被实际应用。
为了进一步挖掘超表面的潜力，孟加拉国沙阿贾拉勒科技大学（Shahjalal University of Science and Technology）的研究人员 S.H. Shakib、N.H. Niloy 和 A. Ahammad 开展了一项研究。他们设计并提出了一种基于连续域束缚态理论的全介质超表面，相关研究成果发表在《Heliyon》上。
研究人员在这项研究中主要运用了有限时域差分（FDTD）方法进行数值模拟。通过这种方法，在模拟过程中设置了周期性边界条件和完美匹配层（PML），并选用硅和二氧化硅（SiO?）作为超表面的材料。
下面来看看具体的研究结果：
- 共振性能分析和多极展开：当超表面处于对称结构（不对称参数 δ = 0）时，在波长 λ = 1007nm 和 λ = 1071nm 处出现两个明显的 Fano 轮廓曲线。此时，对应的电场分布呈现出特定的模式。为了实现与自由空间的辐射通道并获得多个 Fano 和高 Q 因子共振，研究人员故意打破了原结构的对称性，将对称保护的 BIC 转变为 q - BIC。随着不对称参数 δ 的增加，在 λ = 1013nm 附近出现了新的不对称共振轮廓，同时之前的共振频率发生蓝移。研究还发现，通过调整不对称参数，可以控制 Q 因子、共振波长和线宽等参数。而且，高 Q 因子主要源于偶极子的辐射和非辐射衰减率，通过对称破缺减少辐射损失，能提高整体 Q 因子123。
- 结构参数调整的影响：研究人员改变了超表面的一些结构参数，如基底厚度、中心纳米棒的旋转角度和光源的偏振方向。结果发现，改变基底厚度（从 290nm 到 310nm）对传输光谱没有显著影响；当中心纳米棒的旋转角度从 15° 变为 30° 时，在 1020nm 处的共振频率发生蓝移；而随着偏振方向从 0° 增加到 90°，传输光谱保持不变，这表明该超表面是偏振无关的4。
- 折射率传感特性：由于超表面具有窄线宽的特点，使其在光学传感领域具有很大的应用潜力。研究人员通过调整周围介质的折射率来评估该全介质超表面的传感能力。结果显示，当周围介质的折射率降低时，共振频率向左移动，出现蓝移现象，反之亦然。通过减小面内结构不对称性，可以进一步提高该超表面的性能和灵敏度5。
- 与相关工作的比较：研究人员将自己的工作与其他高 Q 因子超表面进行了对比。结果表明，与等离子体超表面和其他介质超表面相比，该研究中的超表面在 Q 因子和损耗方面表现出色，具有很强的竞争力6。
总的来说，研究人员成功设计并提出了一种结合连续域束缚态理论的全介质超表面。通过对称破缺，在波长 λ = 1005nm、λ = 1013nm 和 λ = 1071nm 处同时激发了三重高 Q 因子 Fano 共振，其中 λ = 1013nm 的共振是由于面内对称破缺产生的。当不对称参数 δ 设置为 10nm 时，最大 Q 因子可超过 10? ；当 δ = 20nm 时，计算得到的 Q 因子为 268,540。该结构的灵敏度高达 491nm/RIU，相应的品质因数（FOM）值为 224.95RIU?1 。此外，研究还证明了该超表面对偏振不敏感。这一研究成果为纳米传感器、光开关和非线性光学等光学技术的发展提供了新的思路和方法，有望推动这些领域达到更高的性能水平，在未来的光学应用中发挥重要作用。
