基于CST的手性全介質超表面復現

在當代凝聚態物理與光學交叉的前沿研究領域中,連續譜中的束縛態(BIC)作為一種反直覺的物理現象,正逐漸成為科學研究的焦點。從量子力學和經典電動力學的基礎理論出發,BIC 違背了傳統意義上對束縛態和連續態的認知。

依據麥克斯韋方程組所描述的電磁輻射原理,處于連續譜中的態通常會因與輻射場的耦合而發生能量耗散,進而導致態的衰減。然而,BIC 卻能在連續譜中穩定存在,形成一種獨特的局域化能量狀態。這種現象的背后涉及到復雜的波函數干涉機制,在特定的對稱性和結構參數條件下,輻射波的相消干涉能夠抑制態的輻射損耗,從而產生 BIC。

當引入手性這一物理屬性時,手性 BIC 呈現出更為精妙和獨特的物理圖景。手性在物理學中體現了物體與其鏡像不能重合的特性,在光學領域,手性物質對左、右旋圓偏振光具有不同的響應。對于手性 BIC 而言,手性結構與光的相互作用引發了一系列新奇的現象。例如,在微納結構中,手性 BIC 的存在導致圓偏振光的局域態密度發生顯著變化,進而產生具有強烈手性選擇性的光散射和吸收特性。

深入研究手性 BIC 的物理本質,無論是對于完善我們對光-物質相互作用基本原理的理解,還是對于開發新型手性光學元件、手性量子光學體系以及高靈敏度手性檢測技術等應用方向,都具有至關重要的意義。本文將對Alu教授的一篇題為“Chiral Quasi-Bound States in the Continuum”的手性BIC工作進行復現解析,從理論建模到數值模擬,體會BIC對于手性增強的基本原理。復現工具采用的是CST。

基于CST的手性全介質超表面復現的圖1

圖一

文章給出的結構如圖一所示,周期性單元由兩個二聚體組成,二聚體之間存在著一定的旋轉夾角90°。每個二聚體由兩個橢圓柱構成,橢圓柱之間也存在著夾角。當兩個橢圓柱不存在高度差時(圖1b),結構不具有手性,LCP和RCP的響應完全一致,如d圖所示。當引入高度差,即打破Z方向的鏡像對稱平面時,結構會產生巨大的手性響應,如圖1g和1h所示,可以達到完美的圓二色性(CD=1)。

首先,對結構進行建模,注意幾個角度設置正確。

基于CST的手性全介質超表面復現的圖2

首先來看兩種旋性的透射譜,在歸一化波長為4的位置出現了極強的手性共振。

基于CST的手性全介質超表面復現的圖3

同樣,反射譜也具有同樣的性質

基于CST的手性全介質超表面復現的圖4

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