[论文解读] Bound States in Continuum and Zero-Index Metamaterials: A Review

Peng Yu, Shaolin Liao|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 49被引用 13

一句话总结

本综述探讨了连续谱中的束缚态（BICs）与零折射率超材料（ZIMs），表明在μ近零（uNZ）硅柱阵列中，通过破坏性干涉可消除出平面辐射，实现Q值超过10⁵。该设计实现了平面集成光子器件中无损耗、零折射率的波传播。

ABSTRACT

Bound states in the continuum (BICs) are waves that remain localized even though they coexist with a continuous spectrum of radiating waves that can carry energy away. Their very existence defies conventional wisdom. Although BICs were first proposed in quantum mechanics, they are a general wave phenomenon and have since been identified in electromagnetic waves, acoustic waves in air, water waves and elastic waves in solids. These states have been studied in a wide range of material systems, such as piezoelectric materials, dielectric photonic crystals, optical waveguides and fibers, quantum dots, graphene and topological insulators. In this Review, we describe recent developments in this field with an emphasis on the physical mechanisms that lead to BICs across seemingly very different materials and types of waves. We also discuss experimental realizations, existing applications and directions for future work. At last, we present our recent effort to design a novel type of silicon (Si) based mu-Near-Zero (uNZ) metamaterials that reduces radiative loss through destructive interference of multiple loss channels, resulting in a bound state in the continuum. This design consists of Si pillars array. By adjusting the unit-cell dimensions including radius, pitch and height, we can eliminate the out-of-plane radiation.

研究动机与目标

• 统一理解电磁波、声波和弹性波等多种波系统中连续谱束缚态（BICs）的机理。
• 研究周期性与扩展结构中实现BICs的物理机制，特别是通过对称性与干涉。
• 展示基于硅的μ近零（uNZ）超材料的设计与仿真，通过多辐射通道的破坏性干涉实现BICs。
• 通过结构工程消除辐射损耗，实现平面化、片上光子器件中无损耗、零折射率波传播。
• 探索BIC-ZIM混合系统在集成光子学、激光器、传感器及量子光学中的应用潜力。

提出的方法

• 通过带有向外边界条件的波方程理论建模，将BICs定义为虚频率（γ = 0）的态，表示无辐射。
• 利用多模干涉原理，在周期性硅柱阵列中工程设计辐射通道间的破坏性干涉。
• 对硅柱单元的几何参数（半径、周期、高度）进行参数化优化，以抑制出平面辐射并实现BICs。
• 对二维周期性硅柱阵列的电磁响应进行仿真，验证Q值大于10⁵的BIC模态的出现。
• 应用介电常数近零（eNZ）与磁导率近零（uNZ）条件，实现相位不变的零折射率波传播。
• 设计与硅波导耦合的平面BIC-ZIM平板，以展示光在无相位累积或辐射损耗下实现无损、同相传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过干涉机制在扩展的周期性光子结构中实现BICs？
• RQ2 在基于硅的超材料中，哪些结构参数可调节以实现对出平面辐射的完全抑制？
• RQ3 μ近零（uNZ）超材料中的BICs能否在平面化、片上配置中支持无损耗、零折射率波传播？
• RQ4 破坏性干涉在实现BIC模态超高Q值中的作用是什么？
• RQ5 uNZ/eNZ超材料中的BICs如何实现如超强耦合与几何无关本征模等奇异光学现象？

主要发现

• 优化后的硅柱阵列设计实现了Q值超过10⁵，相比先前设计提升两个数量级。
• 在uNZ结构中，多个辐射通道间的破坏性干涉完全消除了出平面辐射，实现了真正的连续谱束缚态。
• uNZ超材料中的BIC模态表现出无损耗传播，具有零折射率，支持通过平板的相位不变传输。
• BIC-ZIM混合结构实现了从平面硅波导到零折射率模态的高效耦合，无相位累积或辐射损耗。
• 推导并验证了理论公式，用于指导具有定制BIC特性的uNZ与eNZ超材料的设计。
• 将BICs与零折射率特性结合，为集成硅光子学与量子光学中的低损耗、高Q值光子器件开辟了新途径。