近日，廈門大學物理科學與技術學院楊志林教授團隊、陳張海教授團隊聯合電子科學與技術學院易駿副教授團隊、化學化工學院李劍鋒教授團隊，在光子帶（Photonic Flat Band）研究領域取得重要突破。研究團隊創(chuàng)新性地利用新型光學局域模AnapoleMode（無極模），成功實現了光子平帶的遠場激發(fā)與動態(tài)調控，解決了光子平帶難以與遠場高效耦合的關鍵難題。相關研究成果以《Far-Field Excitation of a Photonic Flat Band via a Tailored Anapole Mode》為題，發(fā)表在《Physical Review Letters》雜志上。

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光子平帶是光子能帶結構中一種特殊的物理現象，其能量在動量空間中近乎不隨波矢變化，表現為極低的色散和趨近于零的群速度。由此，帶內傳播的光場呈現出近似停滯與強局域化的特點，可顯著增強光與物質的相互作用。平帶所對應的高簡并態(tài)密度為光子局域、受激與相干過程提供了有利條件。在基礎研究方面，光子平帶為探索非平庸拓撲相與新型量子輻射源等前沿問題提供了新平臺；在技術應用層面，光子平帶能顯著提升光場調控能力與光電轉換效率，可用于構建低閾值納米激光器和高靈敏度光學傳感器。平帶與拓撲光子學、人工莫爾超晶格等新興方向的交叉融合，有望推動高性能集成光子芯片與量子信息器件的發(fā)展。然而，由于平帶本征態(tài)的強局域化特征，如何在保持其低色散優(yōu)勢的同時，實現與遠場輻射的高效、可控耦合，仍是當前亟待解決的關鍵科學問題之一。

本研究利用定制電磁無極模式的策略，成功在近紅外波段實現了光子平帶的高效遠場激發(fā)與靈活調控。Anapole模式源于電偶極子（ED）與環(huán)形偶極子（TD）的干涉相消效應。當兩者強度相近且相位相反時，系統(tǒng)在遠場表現出近乎為零的散射，同時能量高度局域于結構內部，從而產生顯著的近場增強效應。研究人員通過設計并激發(fā)硅盤的無極模式，并在硅盤結構中引入經拓撲優(yōu)化的橢圓形空氣孔，有效調控了TD與ED的相對強度，打破了原有的散射相消條件，在維持近場高度局域的前提下，成功使anapole模式在遠場光譜中顯現。與傳統(tǒng)多極子共振相比，本研究設計的anapole模式不僅具備高度局域化的近場增強能力，還展現出動態(tài)可調的遠場輻射特性，為實現光子平帶從非輻射態(tài)到輻射態(tài)的精準調控提供了有效途徑。

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研究團隊利用角分辨光譜系統(tǒng)，在±25°范圍內用實驗直接在遠場觀測到清晰的光子平帶。計算結果顯示，該光子平帶在高達±90°的入射角范圍內仍能有效保持平坦特性，可充分表明其本征的色散抑制能力。本研究結果有望推動納米尺度光子操控技術的發(fā)展，并為光學傳感、信息處理等奠定應用基礎。

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該研究成果由多個研究團隊緊密協(xié)作共同完成。廈門大學物理科學與技術學院博士生任佩雯、電子科學與技術學院博士生鄭俊榕與化學化工學院博士生黃卓為論文共同第一作者。廈門大學物理科學與技術學院楊志林教授、陳張海教授，電子科學與技術學院易駿副教授，以及化學化工學院李劍鋒教授為論文共同通訊作者。在研究工作中，物理科學與技術學院張龍教授和化學化工學院張華教授給予了重要幫助和指導。物理科學與技術學院博士生劉艷在光子平帶測試方面作出重要貢獻，香港大學電子工程系馬靜文博士在數據分析方面發(fā)揮了重要作用。本研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、科技創(chuàng)新2030“量子通信與量子計算機”重大項目、國家自然科學基金、香港研究資助局GRF項目以及中央高校基本科研業(yè)務專項資金的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/bzpw-7h2x