光操纵的突破揭示新颖的有限势垒束缚态

探索波在各种介质中的传播和局域化一直是光学和声学的核心焦点。具体来说，在光子学和声学领域，科学家们一直致力于理解和控制周期性介质中光波和声波的行为。

凭借其独特的带隙特性，光子晶体为研究波传播和局域化提供了绝佳的平台。这些由晶体的周期性结构引起的带隙可以控制波的传播，甚至完全抑制某些频率范围内的波。

传统上，人们认为光子晶体中的边界模式受到晶体尺寸(晶格位点数量)的强烈影响。通常认为这些模式更容易限制在大型系统(具有许多晶格位置)中，因为随着系统尺寸的增加，隧道效应的概率显着降低。这种现象对于设计和实现高性能光子器件至关重要，特别是在追求器件的高集成度和小型化方面。

此外，在光子晶体研究中，连续体束缚态(BIC)引起了人们的关注，因为它们揭示了即使在连续光谱中某些独特的模式也可以被限制在特定区域内。这种现象为理解和控制光波的局域化提供了新的视角。它在实际应用中显示出巨大的潜力，例如提高光学器件的性能和效率。

发表在《光：科学与应用》上的新研究提出并证实了有限势垒束缚态的存在。系统的光谱通常由连续光谱和离散光谱组成(图1的左图)。传统观点认为，束缚态的特征值谱是离散的，而非束缚态则形成连续的谱。

例如，在电子系统中，如果粒子的能量低于无穷远的势能，则状态会受到离散谱的束缚;而能量高于势能的粒子则发生散射，形成连续的光谱。

对于光波和声波，由于屏障(例如“带隙”)施加的边界条件而形成离散状态。这些离散态可以完全局域于理想条件下(无限势垒宽度，图1-II)。然而，当势垒宽度有限时，该态有可能隧道穿过势垒并成为谐振态(图1-III)。

值得注意的是，连续体中的束缚态(BIC)在空间上束缚在连续谱的能量/频率范围内(图1-I)。这项研究引入了一个与BIC平行的反直觉概念：某些态可以完全束缚在非常薄的带隙材料中，使它们无法穿过带隙材料(图1-IV和1-V)。

该研究首先展示了一种特殊的镜面对称光子晶体带结构，可以精细控制边界模式的转变。当光子晶体的宽度(沿y方向的晶格位点数量Ny)较小时，两侧的边界模相互作用并分裂为奇模和偶模(图2a-d)。

在特定的波矢量(节点)处，边界模式的耦合强度为零。即使光子晶体的宽度(Ny)非常小，边界模式也不能从光子晶体的一侧跳到另一侧(图2e-f)。通常，人们认为需要许多晶格位点来抑制边界模式的耦合。尽管如此，这项研究挑战了这一观点，并开辟了一种在微观尺度上操纵光子行为的新方法。

按照之前的配置，研究人员移除了光子晶体的一个PEC边界，揭示了一种新的配置。他们发现，特定节点波矢量处的剩余边界模式完全被捕获，形成连续体中的有限势垒束缚态(FBIC)。

由于两种边界模式的解耦，这些FBIC表现出非辐射特性。在节点处，边界模耦合强度为零，当去除PEC的一侧时，存在辐射系数为零的状态，其频率与双PEC场景中发现的节点频率相匹配，将其识别为FBIC。

此外，通过将圆形电介质改为椭圆形，打破原有的镜面对称性，并引入新的几何参数η，定义了kx-η参数空间中的绕数，揭示了FBIC的拓扑特征，并确认了这些模式为BIC(图3a-b)。

考虑到微波频率下不可避免的介电损耗，该研究通过测量边界模式的衰减来实验验证FBIC(图3c-d)，证明边界模式在极少数晶格位点(Ny=2、3等)内完全局域化。.)，提供了一种实现BIC的新颖方法。

这项开创性的研究探索了光子晶体中的新颖物理现象，并实现了边界模式的精细控制。该工作不仅从理论上提供了对光子晶体中边界模的隧穿和束缚的新认识，而且通过微波实验证实了边界模在特定波矢量上的完全局域化，为光子学领域带来了新的视角。

该研究揭示了操纵光子行为的新方法，这对于开发高度集成的光子器件具有重要意义。它还提供了使用光子晶体增强光与物质相互作用的新策略，可能会导致非线性光学以及光与二维材料之间相互作用的突破。这些发现可能会激发未来的研究，例如将这些原理应用于声子晶体等其他波系统。