平面不对称诱导品质因子可调谐的钝角分离手性共振研究

研究人员针对光子晶体(PhC)中手性共振品质因子(Q factor)难以调控的难题，通过引入平面结构扰动，开发了一种具有大角度分离和可调Q因子的手性共振模式设计策略。该研究实现了高圆二色性(CD)、大分离角度和高Q因子的手性模式，并将二维激子与这些共振模式耦合，获得空间分离的手性发射。这项发表在《SCIENCE ADVANCES》的工作为光子系统中偏振、群速度和拓扑控制提供了新思路。

　　

在纳米光子学领域，光子晶体(Photonic Crystal, PhC)因其能够将电磁能量限制在亚波长厚度内并通过本征模式状态实现偏振调制而备受关注。特别是当PhC产生手性共振时，可以选择性地增强或抑制特定圆偏振(Circular Polarizations, CPs)，这使其成为手性光学应用的理想平台。然而，如何通过结构不对称性调控手性共振模式的品质因子(Q factor)一直是实验中的重大挑战。Q因子的可调性对于优化共振诱导的光-物质相互作用至关重要，特别是在实现临界耦合和最大化不同光学环境中的吸收或场增强方面。

传统方法中，手性共振主要基于对称性保护的连续体束缚态(Bound states in the continuum, BICs)，通常出现在动量空间的Γ点附近。这种方法虽然能稳定产生手性模式，但难以实现空间分离的相反圆偏振态。此外，通过同时控制面内和面外不对称性来调节Q因子在理论上可行，但在实践中面临复杂的制造工艺限制。更棘手的是，如果在特定面内不对称条件下产生手性共振，Q因子就会固有地固定，无法灵活调节。

针对这些挑战，研究人员提出了一种创新的设计策略。他们通过在晶胞平面内引入两种独立的结构扰动，实现了手性共振的稳健生成和Q因子的定量控制。第一种扰动通过改变六方晶胞中A和B位置超原子的尺寸来打破空间反演对称性，在非辐射区域(光锥下方)诱导出手性模式。第二种扰动则通过修改特定超原子的半径，将布里渊区(Brillouin Zone, BZ)从六边形转变为矩形，通过BZ折叠将这些束缚模式转化为辐射区域的泄漏模式。

这项研究的关键发现包括：首先，在±0.5K(K=4π/3P，P为周期性)附近观察到具有高圆二色性(CD)的手性共振对，这些模式存在于分离的抛物线能带上，具有大发散角度(超过50°)和高Q因子(最高达1608)。其次，Q因子与扰动强度δ呈平方反比关系，这与准BICs的行为一致，为Q因子调控提供了定量依据。第三，通过将过渡金属二硫属化物(Transition Metal Dichalcogenide, TMDC)的激子与手性共振模式耦合，实现了空间分离的手性发射，这对开发高性能光源和量子光子学器件具有重要意义。

研究采用了几项关键技术方法：1) 使用电子束光刻技术制备周期性纳米孔图案的PhC板；2) 通过动量空间成像光谱技术表征光子模式；3) 采用严格耦合波分析(Rigorous Coupled-Wave Analysis, RCWA)计算圆二色性；4) 通过金辅助逐层剥离技术获得宏观单层WSe₂，并将其转移到PhC板上；5) 使用高数值孔径(NA=0.9)物镜进行角度分辨光致发光(Photoluminescence, PL)测量。

在"RESULTS"部分，研究展示了多项重要发现：

"Abstract"部分概述了通过平面结构扰动实现手性共振模式的设计策略，这些模式具有大角度发散和可调Q因子特性。

"INTRODUCTION"部分详细介绍了PhC板支持Bloch模式的基本原理，以及手性偏振在纳米光子学中的研究价值，同时指出了当前Q因子调控面临的挑战。

"Design strategy for demonstration of diverging chiral resonant modes"部分阐述了通过两种结构扰动实现手性共振的理论基础：第一种扰动打破反演对称性产生手性模式，第二种扰动通过BZ折叠将这些模式转化为可辐射的泄漏模式。

"Characterization of chiral resonant modes"部分通过电场剖面和相位分布展示了±0.5K处光子模式的手性特征，并通过近场电能对比证实了强手性响应。

"Optical measurement of diverging chiral resonant modes"部分报告了实验测量结果，TE₁和TE₂模式分别表现出0.421和0.436的高圆二色性，Q因子分别达到1243和1019。

"Tuning Q factors of the chiral resonance modes via structural perturbations"部分证实Q因子与扰动强度δ的平方反比关系，通过改变δ从5nm到20nm，实现了Q因子从1608到约600的可控调节。

"Characterization of WSe₂ emission manipulated by the chiral resonant mode"部分展示了将WSe₂激子与TE₁能带耦合后，在近60°的高角度方向上实现了空间分离的手性发射。

在"DISCUSSION"部分，作者强调了这项工作的多重意义：首先，通过解耦手性共振生成和Q因子调控，为实际应用提供了灵活的设计平台；其次，相比传统Γ点附近的手性模式，±0.5K处的模式具有更好的空间隔离性，有效抑制了模式串扰；第三，通过BZ折叠将高对称点的束缚模式转化为泄漏模式，为研究不同高对称点光子模式的光学特性开辟了新途径。这项工作不仅为高性能光源、传感设备和量子光子学提供了实用平台，也为探索更复杂晶格(如Kagome和Lieb晶格)中的共振模式特性奠定了基础。