“我们测到了高达 2750 的 Q 值，是已有文献纪录值数倍之高，并实现了超长的光子寿命和超慢的光速，将光速减慢了 1 万倍以上。”中国科学院深圳先进技术研究院李光元副研究员表示。
图 | 李光元（来源：李光元）
本次成果的另一大创新之处在于：由于面内电四偶极表面晶格共振在 Γ 点具备转换为连续域束缚态的特性。
而面内电四偶极表面晶格共振与电偶极表面晶格共振在耦合之后，所能实现的类电磁诱导透明现象，也继承了连续域束缚态的特性。
这时，在入射角或辐射角趋于 0 时，Q 值和群折射率也趋于无穷大。因此，基于这种具有连续域束缚态特性的类电磁诱导透明现象，有望实现趋于零的光速（即光冻结）。
研究中，课题组通过超构表面类电磁诱导透明现象实现了慢光效应，因此很有希望用于非线性光学、光传感和光时延等应用场景中，从而极大增加超构表面中光与物质的有效作用距离，进而极大提高超构表面光子芯片器件的性能，进而加快这些器件的产业化。
对于类电磁诱导透明慢光效应来说，它由两种表面晶格共振形成的而来。而被极大增强的近场电场，主要分布在纳米结构之外的范围内。
这样一来，就能极大增强光与纳米结构外的物质、与有源材料之间的相互作用，借此大大提高发光显示、夜视成像、电光调制、生化痕量光学传感、非线性光学频率转换等器件的性能。
从光速变缓说起
要想理解本次成果，先要从慢光效应说起。这种效应是指光速减慢乃至停滞的物理现象。由于光速减慢，光的能量密度增大，光与物质之间的等效作用距离拉长，从而能在更短的光电器件尺寸上获得更高的性能。
因此，在光传感、光调制、光互连、光缓存、乃至光合作用等领域，慢光效应都具有重要的应用价值。
1999 年，美国哈佛大学团队首次采用电磁诱导透明（EIT，Electromagnetic induced transparency）技术，在 450nK 的超冷原子气中，把光速成功减到 17m/s。2000 年，在上述团队的努力之下，成功将光冻结 1 分钟。
然而，对于这种电磁诱导透明慢光实验来说，不仅实验条件十分苛刻，实验装置也极其冗杂，极大阻碍了该类技术的实用化。
之后，基于布拉格光栅、受激布里渊散射、光子晶体等，人们发展了多种慢光方法。然而，这些方法的光速减慢性能，均会受到损耗问题的限制。
近年来，超构材料和超构表面——被广泛认为是光电器件的颠覆者。2008 年，学界首次在基于金属材料的超构材料和超构表面中，利用“明”和“暗”两种局域等离激元模式（LSPRs，Localized surface plasmon resonances）的法诺共振，实现了类电磁诱导透明的现象和慢光效应。
当处于光波段的时候，类电磁诱导透明结构——是一种最常用的超构表面，它的外观呈现出一张 π 型结构，由一对纳米长棒和一对纳米短棒组成。
其中，纳米长棒支持电偶极 LSPR（“明”模式），纳米短棒支持电四偶极 LSPR（“暗”模式）。
然而，金属材料的吸收损耗、以及纳米结构的散射损耗都比较高。在这种情况之下，等离激元超构表面的类电磁诱导透明效应的品质因子（Q 值）极低甚至低于 20，从而导致慢光系数仅有 40 左右，这意味着光速只能被减慢 40 倍。
为了降低材料的吸收损耗，2014 年有研究人员采用全电介质超构表面，来实现类电磁诱导透明现象，即利用两个米氏局域模式之间的法诺共振，让 Q 值达到 380 左右。
在这些局域型超构表面类电磁诱导透明的效应中，为了获得较高的 Q 值和透射率，需要将分别支持“明”“暗”模式的两种纳米结构尽量地靠近，而这会给纳米加工提出极高的挑战。
由于超构表面的厚度极薄，其在光波段的厚度一般仅为几十到数百纳米不等，导致光与物质的作用距离十分有限，这限制了超构表面光子芯片器件实用化，也是超构表面光子芯片产业化所面临的一大“痛点”。
（来源：Nano Letters）
助力超构表面芯片器件的光减速
而在本次研究之中，课题组将两种电介质纳米结构的间距取为 0，即将两者合并为一个纳米结构。此时，由这种结构所支持的米氏电偶极和电四偶极局域模式，分别处于不同的频率位置，无法被调谐到相同频率。
这样一来，进一步地将这两个米氏局域模式，分别与沿着面内 x 和 y 方向两个方向的瑞利异常衍射相干进行耦合，从而获得米氏电偶极表面晶格共振和电四偶极表面晶格共振。
通过调节 x 或 y 方向的晶格周期，可以使这两个表面晶格共振的共振频率相同，二者通过法诺共振能够实现超构表面类电磁诱导透明现象。
表面晶格共振的好处在于，面对已经极大增强的近场电场，它能将后者从纳米结构中拉出来。这时，材料的吸收损耗就会被极大抑制。
同时，纳米结构对于光的面内散射，能被阵列中的其他纳米结构捕获，这样一来光子寿命就能被延长，散射损耗也会被极大抑制。
进一步地，这种依靠两种米氏表面晶格共振实现的类电磁诱导透明现象，就能拥有超高的 Q 值。
据介绍，该团队长期致力于研究超构表面的损耗抑制机理。就本次研究来说，他们最初希望通过探索米氏电四偶极表面晶格共振这种高阶模式，来获得具有超低损耗的超构表面。
在进行仿真研究的时候，他们偶然发现同时存在的米氏电偶极表面晶格共振和电四偶极表面晶格共振，可以分别通过改变 x 和 y 方向的晶格周期，来独立地调控其共振波长。
当二者共振波长相同也就是失谐为 0 的时候，开始出现超高 Q 值的超构表面类电磁诱导透明现象，从而能够获得极强的慢光效应。
通过一系列的实验，课题组确定所观察到的现象，确实是类电磁诱导透明现象。同时，他们还设计了一系列参数，确保可以测量到超高 Q 值。
而在实验验证阶段，他们累计进行三次独立的样品加工和光学测试，反复确认了实验现象和实验数据的可靠性。
而在仿真优化和实验设计阶段，该团队原本只探讨了如下这种现象：即由直入射激励的、不具有连续域束缚态特性的类电磁诱导透明慢光现象。
然而，在多次实验验证之中，他们发现了两个意外现象：
其一，在原本不具有类电磁诱导透明慢光现象的样品中，发现了一个非预期的类电磁诱导透明窗口；
其二，在原本具有一个类电磁诱导透明窗口的样品中，发现两个类电磁诱导透明窗口。
为了理解这些奇异现象，他们针对实验光路进行了仔细检查，结果发现由于样品没有完美垂直于入射而光导致了上述现象，这意味着入射光在略微偏离直入射时，也能诱导一个新的类电磁诱导透明窗口。
于是基于这些样品，他们在改变入射角的情况下，开展了新的实验，并首次发现了这种具有连续域束缚态特性的类电磁诱导透明慢光现象。
尽管该团队没能按照原计划做研究，但是这个出乎意料的类电磁诱导透明慢光效应，比原定的课题内容更加重要。因为对于超构表面芯片器件的光减速来说，本次成果提供了一种简单可行的有效途径。
最终，相关论文以《集体-集体耦合引起的超高 Q 值超表面透明带》（Ultrahigh-Q Metasurface Transparency Band Induced by Collective–Collective Coupling）为题发在 Nano Letters[1]。Zhao Xueqian 是第一作者，李光元担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nano Letters）
力争实现 100% 的技术转化率
未来，针对具有连续域束缚态特性的超构表面类电磁诱导透明慢光效应，他们将开展进一步的挖掘，争取实现“光速能被减慢十万倍乃至上百万倍”的超构表面类电磁诱导透明现象。
同时，针对慢光效应在超构表面光子芯片、特别是在生化光传感芯片和发光芯片等器件上的实际应用，他们也将启动进一步的探索。
而对于李光元所在的中国科学院深圳先进技术研究院，人们可能更加熟悉这里的生物医学成果。
事实上，信息技术（IT，Information Technology）和生物科技（BT，Bioresource Technology）都是影响人类发展的重要技术，前者是过去数十年全球发展的重要推动力，后者则是各国一致看好的具有巨大发展潜力的领域。
同时，在 IT 与 BT 这两个领域愈发显示出交叉融合发展的趋势。李光元表示：“中国科学院深圳先进技术研究院聚焦 IT 与 BT 的融合发展，致力于为生物医学和生命健康领域提供新方法、新工具和新材料。”
他所在的光电工程技术中心在吕建成研究员的带领下，旨在以市场为导向，主要面向工业安防、生命健康和海洋环境开展光电成像和传感的共性关键技术和仪器设备的研发，力争实现 100% 的技术转化率。
参考资料：
1.Zhao, X., Huang, R., Du, X., Zhang, Z., & Li, G. (2024). Ultrahigh-Q Metasurface Transparency Band Induced by Collective–Collective Coupling. Nano Letters.