圖1.超表面結(jié)構(gòu)的電場分布(a-b)沒有ENZ薄膜(d-f)有ENZ薄膜

近日，中科院西安光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室非線性光子技術(shù)及應(yīng)用課題組在超表面非線性光子學(xué)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表于國際著名期刊Materials Today Nano(IF=10.3)，論文第一作者為2020級博士生石文娟。

全光信號處理、全光計算和量子芯片等領(lǐng)域的快速發(fā)展對非線性光子器件的集成度、調(diào)制速度、功耗等性能提出了新挑戰(zhàn)，如何突破非線性光子器件功耗與尺寸的限制，在微納尺度下提升非線性光子器件性能是光子集成領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。介電常數(shù)近零(epsilon-near-zero ，ENZ )材料在亞波長尺寸上表現(xiàn)出超快、超強(qiáng)非線性效應(yīng)的特征，被廣泛用于片上全光調(diào)制、全光開關(guān)、光子探測、量子糾纏源等領(lǐng)域的研究。損耗大是ENZ材料的最大缺點，這導(dǎo)致ENZ材料Q因子低、作用距離短，難以走向?qū)嵱没l(fā)展。因此，不斷探索新的物理機(jī)制降低ENZ材料損耗、獲得高Q因子是實現(xiàn)高性能非線性光子器件的關(guān)鍵。

圖2.(a)線性反射譜與半徑的關(guān)系(b)Q因子與半徑的關(guān)系

圖3.(a)非線性折射率系數(shù)(b)非線性反射調(diào)制

課題組通過將ENZ薄膜嵌入到金屬與半導(dǎo)體介質(zhì)的混合超表面結(jié)構(gòu)中，首次在近紅外波段提出了基于ENZ薄膜的準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)(Quasi Bound states in the continuum，quasi-BIC)超表面結(jié)構(gòu)，使得在大損耗的ENZ材料中通過消除輻射損耗實現(xiàn)高品質(zhì)Q因子。相比于ENZ薄膜，該超表面結(jié)構(gòu)非線性系數(shù)提高了3個數(shù)量級，可有效降低片上非線性光子器件的功耗。研究發(fā)現(xiàn)，基于金屬鏡像理論，該超表面結(jié)構(gòu)高效實現(xiàn)了鏡像磁偶極子與ENZ薄膜的共振，極大增強(qiáng)了ENZ薄膜中的局域場，顯著提高了非線性光與物質(zhì)的相互作用。同時，通過ENZ薄膜中Berreman模式與光子模式的干涉相消，成功實現(xiàn)了具有高品質(zhì)Q因子的quasi-BIC模式。得益于quasi-BIC模式的強(qiáng)局域場、完美吸收特性以及ENZ薄膜中的熱電子動力學(xué)過程，該結(jié)構(gòu)對于實現(xiàn)高調(diào)制速度、大調(diào)制深度的全光調(diào)制器件具有明顯優(yōu)勢。該研究成果為實現(xiàn)納米尺度下的超強(qiáng)非線性和超快動力學(xué)提供了新思路，可拓展于基于二維材料的片上光子器件研究，有望在集成光子學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

審核編輯 黃宇