Verbesserung der Robustheit gebundener Zustände im Kontinuum mit höheren topologischen Ladungen

Gebundene Zustände im Kontinuum (BICs) haben aufgrund ihrer hervorragenden Leistung beim Lichteinschluss, der die Licht-Materie-Wechselwirkung verstärken kann, breites Forschungsinteresse auf sich gezogen. BICs können den Strahlungsverlust eliminieren, um theoretisch einen unendlichen Qualitätsfaktor Q zu erreichen. In praktischen On-Chip-Resonatoren gibt es jedoch unvermeidliche Herstellungsfehler, die BICs durch Streuung an benachbarte Strahlungszustände koppeln und so das verfügbare Q einschränken.

Um den Streuverlust zu unterdrücken, ist die Verbesserung des Lichteinschlusses in den nahegelegenen Strahlungszuständen erforderlich. Mehrere BICs können auf die gleiche Position abgestimmt werden, um unter Verwendung der topologischen Eigenschaften von BIC einen zusammenführenden BIC zu bilden. Dieser physikalische Mechanismus kann das Q benachbarter Zustände über einen breiten Wellenvektorbereich signifikant verbessern und die Robustheit von BICs gegenüber dem Streuverlust von Herstellungsfehlern verbessern.

Für photonische Kristallplatten bilden die Polarisationen der Fernfeldstrahlung einen Polarisationswirbel um einen BIC im Impulsraum. Der BIC befindet sich an der topologischen Singularität, deren Polarisationsrichtung nicht definiert werden kann, daher gibt es keinen Strahlungsverlust. Die Windungszahl der Polarisationen im Gegenuhrzeigersinn definiert die topologische Ladung von BICs. BICs sind gemäß der topologischen Ladungserhaltung topologisch geschützt. Sie sind im Impulsraum durch Variation von Strukturparametern abstimmbar.

Bis heute beinhaltet die Konstruktion von fusionierenden BICs jedoch nur die Manipulation grundlegender topologischer Ladungen. Einerseits können die topologischen Ladungen höherer Ordnung als aus mehreren topologischen Grundladungen bestehend betrachtet werden, und daher kann ein geladener BIC höherer Ordnung selbst die Robustheit eines BIC gegenüber dem Streuverlust verbessern. Andererseits können sich BICs mit topologischen Ladungen höherer Ordnung durch Verringerung der strukturellen Symmetrie in mehrere BICs mit topologischen Grundladungen aufspalten, die verschmelzende BICs mit anderen durch physikalische Mechanismen induzierten BICs konstruieren können.

In einem neuen Artikel, erschienen in Licht: Wissenschaft & AnwendungenProf. Meng Xiao von der Wuhan University, das Team von Prof. Hongxing Xu von der Wuhan University und Prof. Che Ting Chan von der Hong Kong University of Science and Technology arbeiteten zusammen, um einen neuartigen physikalischen Mechanismus zur Realisierung der Verschmelzung von BICs durch Manipulation von Topologien höherer Ordnung vorzuschlagen Gebühren.

In der photonischen Kristallplatte mit Dreiecksgitter befindet sich ein symmetriegeschützter BIC mit einer topologischen Ladung von -2 am Γ-Punkt. Wenn die Dicke der Platte angemessen ist, erscheinen zufällige BICs mit topologischen Ladungen von ±1 an Off-Γ-Punkten, die durch die zufällige Auslöschung von Strahlungsverlusten aufgrund destruktiver Interferenz gebildet werden. Durch Variieren der Dicke können mehrere zufällige BICs gleichzeitig auf den G-Punkt abgestimmt werden, wodurch ein verschmelzender BIC mit einem geladenen BIC höherer Ordnung gebildet wird. Die Q-Faktoren der Strahlungszustände in der Nähe wurden für Strahlungszustände in der Nähe im Vergleich zu isolierten BICs oder verschmelzenden BICs mit nur Fundamentalladungen erheblich verbessert. Kurz zusammengefasst kann das Verschmelzen von BICs mit Ladungen höherer Ordnung die Lichtbegrenzung weiter verbessern und den durch Herstellungsmängel verursachten Streuverlust unterdrücken.

Durch Ersetzen von zylindrischen Löchern durch elliptische zylindrische Löcher wird die Symmetrie der Struktur reduziert und geladene BICs höherer Ordnung sind am Γ-Punkt nicht länger erlaubt. Aufgrund der topologischen Ladungserhaltung spalten sich BICs mit der topologischen Ladung höherer Ordnung in Off-Γ-BICs auf. Die geteilten BICs können im Impulsraum abgestimmt werden, indem die Strukturparameter variiert werden. Sie können gleichzeitig auf den Γ-Punkt abgestimmt werden, um einen Misch-BIC zu bilden, oder auf dieselbe Position mit zufälligen BICs und einen Misch-BIC an Off-Γ-Punkten bilden.

Durch rotierende elliptische zylindrische Löcher wird die Spiegelsymmetrie weiter gebrochen und BICs werden von der Spiegelebene weggedreht. Durch die Wahl eines geeigneten Rotationswinkels und einer Plattendicke sind die zusammenführenden BIC mit einem bestimmten Impuls steuerbar, was für die Verbesserung der Leistung von richtungsbezogenen Anwendungen von großer Bedeutung ist.