[论文解读] Observation of intrinsic chiral bound states in the continuum

Yang Chen, Huachun Deng+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2022

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 11

一句话总结

该论文通过一种具有定制倾斜几何结构的超表面，实验上实现了本征手性束缚态在连续谱（BICs）中，该结构同时破坏了面内和面外对称性。该结构在可见光频率下实现了接近单位的圆二色性（0.93）和超过2,663的记录性品质因数，首次在不依赖倾斜入射或结构各向异性的条件下观测到BIC中的真正本征手性。

ABSTRACT

Photons with spin angular momentum possess intrinsic chirality which underpins many phenomena including nonlinear optics1, quantum optics2, topological photonics3 and chiroptics4. Intrinsic chirality is weak in natural materials, and recent theoretical proposals5-7 aimed to enlarge circular dichroism by resonant metasurfaces supporting bound states in the continuum that enhance substantially chiral light-matter interaction. Those insightful works resort to three-dimensional sophisticated geometries, which are too challenging to be realized for optical frequencies8. Therefore, most of the experimental attempts9-11 showing strong circular dichroism rely on false/extrinsic chirality by employing either oblique incidence9, 10 or structural anisotropy11. Here, we report on the experimental realization of true/intrinsic chiral response with resonant metasurfaces where the engineered slant geometry breaks both in-plane and out-of-plane symmetries. Our result marks the first observation of intrinsic chiral bound states in the continuum with near-unity chiral dichroism of 0.93 and record-high quality factor exceeding 2663 for visible frequencies. Our chiral metasurfaces promise a plethora of applications in chiral light sources and detectors, chiral sensing, valleytronics and asymmetric photocatalysis.

研究动机与目标

• 为克服超表面中外部手性所受的限制，后者依赖于倾斜入射或结构各向异性。
• 通过同时破坏面内和面外对称性，实现在光子系统中的真正本征手性响应。
• 在可见光频率下，展示具有强手性光-物质相互作用的束缚态在连续谱（BICs）。
• 实现高Q值因子和增强的圆二色性，以适用于手性光学的实际应用。
• 为拓扑光子学和谷电子学中的本征手性现象提供一种可扩展的平面化平台。

提出的方法

• 设计一种具有倾斜几何结构的超表面，以同时破坏面内和面外对称性，从而实现本征手性。
• 通过对称性保护工程化设计，使超表面支持具有高Q值因子的束缚态在连续谱（BICs）。
• 利用平面化、二维结构，支持在可见光频率下具有强手性响应的共振模式。
• 通过法向入射反射光谱测量圆二色性，以确认本征手性行为。
• 通过确保响应不依赖于入射角或偏振态，验证不存在外部手性。
• 进行数值模拟，以确认对称性破缺及BIC模式特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在可见光频率下，于平面超表面中实验实现本征手性束缚态在连续谱中？
• RQ2 如何通过同时破坏面内和面外方向的对称性，实现真正本征手性，而无需依赖倾斜入射？
• RQ3 在基于BIC的超表面中，可见光频率下可实现的最大圆二色性和品质因数是多少？
• RQ4 与传统外部手性结构相比，所设计的倾斜几何结构如何增强手性光-物质相互作用？
• RQ5 该系统能否在保持强本征手性的同时支持高Q值共振，以适用于实际应用？

主要发现

• 该超表面实现了0.93的圆二色性，接近理论最大值1.0，表明本征手性响应近乎理想。
• 实验测得品质因数超过2,663，创下可见光频率下BICs的记录。
• 本征手性响应得到确认，其在法向入射下依然保持，且不依赖于外部几何或偏振不对称性。
• 数值模拟证实，在所设计的倾斜结构中存在具有强手性特征的对称性保护BIC模式。
• 实验结果验证了理论设想：通过几何不对称性可在BIC中实现本征手性，而无需引入三维复杂性。
• 该平台实现了强手性光-物质相互作用，为手性传感、谷电子学和非对称光催化等应用铺平了道路。