雙層光學超表面中相消干涉驅動的拓撲荷跳變 | 進展

在光學超表面中，連續域束縛態（BIC）作為一種動量空間中的偏振渦旋奇點，攜帶整數化拓撲荷而展現出豐富的拓撲光學性質，且理論上具有無限大的品質因子（Q值），為實現超低閾值激光、超高靈敏度傳感及光場操控提供了理想平臺。BIC的拓撲性質受到對稱性的嚴格約束，不同的對稱性通常對應不同的拓撲荷，目前報道的研究工作主要聚焦于對稱性所允許的特定拓撲荷。然而，一個常被忽略的事實是：在同一對稱性保護下，BIC允許多重拓撲荷的存在。因此，如何在保持結構對稱性不變的條件下，實現BIC拓撲荷從低階到高階的動態調控，仍是光學超表面領域中一個重要挑戰。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心微加工實驗室李俊杰研究團隊設計并制備了一種具有三重旋轉對稱性的雙層二氧化鈦光學超表面，僅需調節兩層超表面間隔層厚度，即可直接誘導BIC拓撲荷發生從低階（+1）到高階（-2）的躍變，而無需打破結構對稱性。團隊采用微擾理論嚴格解析了近BIC共振態的遠場偏振矢量，揭示了實現拓撲躍遷的物理機制：當間隔層厚度滿足特定條件時，上下兩層結構荷載的準BIC輻射態會發生相消干涉。這種干涉不僅直接觸發了拓撲荷的跳變，同時抑制能量耗散，使近BIC共振態Q值大幅度提升。在實驗上，團隊采用電子束光刻套刻與旋涂玻璃（SOG）間隔層工藝，成功制備出對準精度極高的雙層超表面樣品，并通過角分辨反射光譜測量清晰地觀測到了拓撲荷躍遷對應的光譜特征，同時驗證了相消干涉對諧振模式Q值的顯著增強效應。

圖a雙層氧化鈦超表面示意圖；b共振態遠場輻射相消干涉理論預測；c不同厚度中間層超表面共振態在動量空間中遠場偏振矢量分布；d套刻工藝加工的雙層超表面；e，f實驗測量的角分辨反射光譜

該工作首次在光學超表面中實現了保持對稱性不變的BIC拓撲荷動態操控，突破了以往必須通過打破對稱性來調控拓撲性質的固有觀念，為探索光學超表面的新奇拓撲光學特性提供了新方案。

相關研究成果以“Destructive Interference Mediated Topological Transitions in Bilayer Metasurfaces”為題發表于Physical Review Letters136, 043801 (2026) 上。中國科學院物理研究所微加工實驗室的王博副研究員為論文第一作者，潘如豪副研究員和李俊杰研究員為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、中國科學院基礎領域青年團隊計劃及懷柔綜合極端條件實驗裝置的支持。文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/646c-jc6s

編輯：韶音