研究背景
等离激元共振凭借其亚波长光场局域能力，在增强光-物质相互作用方面具有显著优势，广泛应用于传感、荧光、拉曼光谱、光催化及非线性光学等领域。然而，金属固有的欧姆损耗导致等离激元共振的品质因子通常仅为10左右，严重制约了需要高光谱选择性的应用性能。虽然金属纳米颗粒阵列可通过表面晶格共振将Q值提升约一个数量级，但这些模式对环境无序、结构缺陷及照明条件极为敏感，且需要大面积均匀介质包覆，实际应用受限。与此同时，起源于量子力学的连续域束缚态概念被引入纳米光子学，这类模式在开放系统中具有无限Q值且不向远场辐射，通过微小扰动可转化为有限Q值的准BIC并实现远场耦合。然而，此前报道的对称保护型BIC多基于低损耗介质超表面，虽Q值极高但因辐射损耗与固有损耗严重失配，大部分入射能量被反射，耦合效率低下；而少数等离激元BIC则依赖斜入射下的动量空间对称破缺，难以满足实际器件对正入射和高耦合效率的双重要求。因此，如何在一个兼具金属高局域场优势和BIC高Q值特性的平台上，同时实现正入射条件下的高效光耦合，成为该领域亟待攻克的关键难题。
研究内容
本研究设计并利用三维激光纳米打印技术制备了由金包覆聚合物三角纳米鳍构成的等离激元超表面，系统探索了面外对称保护型BIC的激发、调控及其在分子传感中的应用。作者通过调节纳米鳍的三角角度α这一面外对称破缺参数，在正入射条件下成功激发了多阶准BIC模式，其中第一阶和第二阶模式的Q值分别达105和180，并可扩展至第四阶。实验和模拟均表明，该不对称因子α直接决定了纳米鳍面外偶极矩的面内投影分量，进而控制辐射损耗的大小，使系统从欠耦合连续过渡至临界耦合再到过耦合区间，且吸收光谱与基于时域耦合模理论导出的解析公式高度吻合，验证了辐射损耗与tan²α成反比这一BIC典型标度律。在此基础上，作者进一步将该耦合可调的超表面应用于像素化分子传感，通过精细缩放结构尺寸使BIC共振覆盖1.8至10微米的宽谱段，并以PMMA分子在5.75微米处的特征振动吸收为模型分析物，构建了覆盖欠耦合、临界耦合和过耦合三个区间的像素化传感阵列。
结论一本首次在等离激元体系中通过面外几何参数的对称破缺，在正入射条件下实现了对称保护型准BIC的激发与连续调控，突破了以往依赖斜入射动量空间破缺的限制，极大拓展了BIC在实际器件中的适用性
结论二揭示了等离激元BIC体系中辐射损耗与固有损耗的竞争关系，通过单一结构参数α即可实现从欠耦合到临界耦合再到过耦合的全程调控，并建立了相应的理论模型
启发方面
该研究从基础物理、设计方法到应用实践，为高Q等离激元BIC及其在增强光谱传感中的应用提供了系统性的理论框架和技术路径
igner et al., Sci. Adv. 8, eadd4816 (2022)
作者：Andreas Aigner Stefan A. Maier 1 *, Andreas Tittl 1,3,4 1 , Juan Wang *, Haoran Ren 3 *
发表日期: 9 December 2022
报告人：喻志翔
