双层光学超表面中相消干涉驱动的拓扑荷跳变 | 进展

在光学超表面中，连续域束缚态（BIC）作为一种动量空间中的偏振涡旋奇点，携带整数化拓扑荷而展现出丰富的拓扑光学性质，且理论上具有无限大的品质因子（Q值），为实现超低阈值激光、超高灵敏度传感及光场操控提供了理想平台。BIC的拓扑性质受到对称性的严格约束，不同的对称性通常对应不同的拓扑荷，目前报道的研究工作主要聚焦于对称性所允许的特定拓扑荷。然而，一个常被忽略的事实是：在同一对称性保护下，BIC允许多重拓扑荷的存在。因此，如何在保持结构对称性不变的条件下，实现BIC拓扑荷从低阶到高阶的动态调控，仍是光学超表面领域中一个重要挑战。

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心微加工实验室李俊杰研究团队设计并制备了一种具有三重旋转对称性的双层二氧化钛光学超表面，仅需调节两层超表面间隔层厚度，即可直接诱导BIC拓扑荷发生从低阶（+1）到高阶（-2）的跃变，而无需打破结构对称性。团队采用微扰理论严格解析了近BIC共振态的远场偏振矢量，揭示了实现拓扑跃迁的物理机制：当间隔层厚度满足特定条件时，上下两层结构荷载的准BIC辐射态会发生相消干涉。这种干涉不仅直接触发了拓扑荷的跳变，同时抑制能量耗散，使近BIC共振态Q值大幅度提升。在实验上，团队采用电子束光刻套刻与旋涂玻璃（SOG）间隔层工艺，成功制备出对准精度极高的双层超表面样品，并通过角分辨反射光谱测量清晰地观测到了拓扑荷跃迁对应的光谱特征，同时验证了相消干涉对谐振模式Q值的显著增强效应。

图a双层氧化钛超表面示意图；b共振态远场辐射相消干涉理论预测；c不同厚度中间层超表面共振态在动量空间中远场偏振矢量分布；d套刻工艺加工的双层超表面；e，f实验测量的角分辨反射光谱

该工作首次在光学超表面中实现了保持对称性不变的BIC拓扑荷动态操控，突破了以往必须通过打破对称性来调控拓扑性质的固有观念，为探索光学超表面的新奇拓扑光学特性提供了新方案。

相关研究成果以“Destructive Interference Mediated Topological Transitions in Bilayer Metasurfaces”为题发表于Physical Review Letters136, 043801 (2026) 上。中国科学院物理研究所微加工实验室的王博副研究员为论文第一作者，潘如豪副研究员和李俊杰研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院基础领域青年团队计划及怀柔综合极端条件实验装置的支持。文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/646c-jc6s

编辑：韶音