近日，廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院楊志林教授團隊、陳張海教授團隊聯(lián)合電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院易駿副教授團隊、化學(xué)化工學(xué)院李劍鋒教授團隊，在光子帶（Photonic Flat Band）研究領(lǐng)域取得重要突破。研究團隊創(chuàng)新性地利用新型光學(xué)局域模AnapoleMode（無極模），成功實現(xiàn)了光子平帶的遠(yuǎn)場激發(fā)與動態(tài)調(diào)控，解決了光子平帶難以與遠(yuǎn)場高效耦合的關(guān)鍵難題。相關(guān)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(jié)構(gòu)中一種特殊的物理現(xiàn)象，其能量在動量空間中近乎不隨波矢變化，表現(xiàn)為極低的色散和趨近于零的群速度。由此，帶內(nèi)傳播的光場呈現(xiàn)出近似停滯與強局域化的特點，可顯著增強光與物質(zhì)的相互作用。平帶所對應(yīng)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(chǔ)研究方面，光子平帶為探索非平庸拓?fù)湎嗯c新型量子輻射源等前沿問題提供了新平臺；在技術(shù)應(yīng)用層面，光子平帶能顯著提升光場調(diào)控能力與光電轉(zhuǎn)換效率，可用于構(gòu)建低閾值納米激光器和高靈敏度光學(xué)傳感器。平帶與拓?fù)涔庾訉W(xué)、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(xiàn)與遠(yuǎn)場輻射的高效、可控耦合，仍是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)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(xiàn)了光子平帶的高效遠(yuǎn)場激發(fā)與靈活調(diào)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(yīng)。當(dāng)兩者強度相近且相位相反時，系統(tǒng)在遠(yuǎn)場表現(xiàn)出近乎為零的散射，同時能量高度局域于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而產(chǎn)生顯著的近場增強效應(yīng)。研究人員通過設(shè)計并激發(fā)硅盤的無極模式，并在硅盤結(jié)構(gòu)中引入經(jīng)拓?fù)?span onclick="sendmsg('pw_ajax.php','action=relatetag&tagname=優(yōu)化',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_8">優(yōu)化的橢圓形空氣孔，有效調(diào)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(yuǎn)場光譜中顯現(xiàn)。與傳統(tǒng)多極子共振相比，本研究設(shè)計的anapole模式不僅具備高度局域化的近場增強能力，還展現(xiàn)出動態(tài)可調(diào)的遠(yuǎn)場輻射特性，為實現(xiàn)光子平帶從非輻射態(tài)到輻射態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)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(nèi)用實驗直接在遠(yuǎn)場觀測到清晰的光子平帶。計算結(jié)果顯示，該光子平帶在高達(dá)±90°的入射角范圍內(nèi)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(jié)果有望推動納米尺度光子操控技術(shù)的發(fā)展，并為光學(xué)傳感、信息處理等奠定應(yīng)用基礎(chǔ)。

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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(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生任佩雯、電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生鄭俊榕與化學(xué)化工學(xué)院博士生黃卓為論文共同第一作者。廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院楊志林教授、陳張海教授，電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院易駿副教授，以及化學(xué)化工學(xué)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(xué)與技術(shù)學(xué)院張龍教授和化學(xué)化工學(xué)院張華教授給予了重要幫助和指導(dǎo)。物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(xué)電子工程系馬靜文博士在數(shù)據(jù)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(xué)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(wù)專項資金的支持。

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