近日，南方科技大學電氣與電子工程系叢龍慶副教授團隊在國際學術期刊 Science Advances 以“High efficiency active membrane metasurfaces”為題發表最新研究成果。團隊提出了一種基于寬帶 Kerker 效應與準束縛態(q-BIC)物理機制的新型“高效率主動調制薄膜超表面”，在太赫茲波束控制領域取得多項國際領先的突破。

研究團隊成功構建了一種兼具超高效率、低能耗、強頻譜和空間選擇的薄膜超表面，實現了太赫茲波束的高精度定向偏折。實驗顯示，該器件的絕對偏折效率高達92%，線寬窄至4GHz，空間發散角僅2.8°，品質因數高達114，并在極低光泵閾值下實現了94%的調制深度，整體性能達到當前同類技術的國際最高水平。

更為重要的是，該設計突破了傳統單點 Kerker 效應難以在完整2π相位調制范圍內保持高效率的根本瓶頸(圖1A-1C)，實現了在全相位覆蓋區間內所有結構單元接近100%的光場透射效率(圖1D-1F)。通過對q-BIC色散機制的調控，并與拓展的寬帶 Kerker 效應深度耦合，團隊構建了一個同時具備高效率、高空間和頻率選擇性及低閾值調制的新型薄膜超表面光場調控架構。

圖1.單點與寬帶模式簡并誘導的 Kerker 效應

傳統設計中，單點電偶與磁偶簡并相對容易實現，但模式間不可避免的耦合始終阻礙著寬帶簡并的實現。本研究將設計范式從傳統的參數空間擴展至動量空間，利用整個動量空間進行聯合優化，有效解決以往難以突破的寬帶模簡并難題。

在這一新框架下，團隊首次在動量空間實現了雙模的寬帶簡并，即寬帶 Kerker 效應。通過將矩形晶格的Y點模式折疊至Γ點，獲得了兼具高穩定性與高Q因子的帶折疊 BIC 模式(圖2A–2D)，使其在寬波矢范圍內保持穩健的簡并特性(圖2B、2F)。隨后，通過引入微弱結構不對稱，團隊精確調控遠場輻射泄漏，使兩條模式在0.542 THz實現頻率與Q因子的同步交叉(圖2E、2F)。最終構建的硅基薄膜超表面在實驗中表現出超過96%的高透過率、完整的2π相位覆蓋，以及高達33倍的局域場增強，為寬帶 Kerker 效應的高效率、高品質因數的實現奠定物理基礎(圖2G、2H)。

圖2.通過能帶折疊實現多點簡并下的 Kerker 效應

依托超高透射效率的單元設計，團隊制備了僅需調控單一參數，即y軸周期的相位梯度超表面，并在實驗中實現了卓越的太赫茲波束偏折性能(圖3A)。角分辨時域譜測量顯示，器件在極窄頻譜寬度內將92%能量定向偏折至+1級衍射方向，同時在0級衍射處實現完全抑制(圖3B-3E)。得益于q-BIC賦予的窄帶共振特性，偏折光束呈現僅2.8°的超小發散角以及高達114的Q值，兼具極高的光譜與空間選擇性(圖3F)。如此將超高效率、自由支撐薄膜結構與窄帶高Q控制集成于同一器件，在太赫茲波束操控領域前所未有，為下一代高性能、低能耗的光子器件提供了強有力的平臺支撐。

圖3.基于 Kerker 效應的膜膜超表面的實驗結果

本研究通過實驗驗證了高Q值+1級衍射光束的低閾值調制能力。雙q-BIC簡并確保了在低損耗條件下實現完整的2π相位覆蓋，而損耗反轉會觸發明確的相位躍遷，從而影響 Kerker 效應的保持(圖4A)。在僅0.53 W/cm2的連續光泵下，衍射強度從92%降至5.8%，調制深度高達94%(圖4B-4F)，遠優于未圖案化硅薄膜的不足7%的調制表現。實驗進一步表明，該平臺在脈沖激光激發下具備低閾值特性，展示出利用BIC提升Q值、實現更窄帶選擇性與更低調制能耗的巨大潛力，為下一代高速、低功耗太赫茲調控器件奠定基礎。

圖4.低閾值調制的實驗結果

南方科技大學助理研究員凡俊興、上海交通大學周葉副教授為論文共同第一作者，叢龍慶為論文通訊作者。南科大博士研究生薛占強、博士后許桂珍、碩士研究生陳俊良、博士研究生邢宏陽等亦為本工作作出了重要貢獻。本研究獲得了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、廣東省基礎與應用基礎研究基金、廣東省量子科學戰略專項、深圳市科技計劃以及南方科技大學高水平專項資金等項目的支持。

審核編輯 黃宇