导读

在纳米光子学领域，实现不同类型集体共振的可控耦合与杂化，对推动激光技术、传感检测、非线性光学及量子光源等领域的发展至关重要。近日，德国汉诺威莱布尼茨大学、英国伦敦国王学院等联合团队展示了介质超表面中对称保护准连续域束缚态与表面晶格共振的耦合与杂化成果。研究团队通过理论、数值与实验相结合的方式，实现了横向电场偏振下的强耦合反交叉效应和横向磁场偏振下的偶然连续域束缚态，且耦合机制可通过入射角、偏振态及周围环境进行调控，为定制化超表面的设计提供了新范式。

该研究成果发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Strong coupling of collective optical resonances in dielectric metasurfaces”，德国汉诺威莱布尼茨大学Izzatjon Allayarov为论文的第一作者，德国汉诺威莱布尼茨大学Andrey B. Evlyukhin、Antonio Calà Lesina，英国伦敦国王学院Anatoly V. Zayats为论文的共同通讯作者。

研究背景

集体共振赋能的介质超表面在激光、传感、非线性光学及量子光子源等领域应用前景广阔，这类超表面支持表面晶格共振和准连续域束缚态两种重要集体共振，前者可通过偶极相互作用在等离激元和介质超表面中轻松实现，后者在介质超表面中更易制备且损耗更低。但现有研究存在明显局限：两种共振虽可通过相似理论解释，却缺乏对它们之间相互作用的系统探究，且准偶然连续域束缚态因具有极窄带特性，加上相关解析理论不足，导致其实验验证案例极少，难以充分发挥集体共振的协同优势。

此外，当前介质超表面集体共振研究存在一系列未解决的核心问题。一方面，强耦合现象虽已在多种共振模式间被观察到，但均局限于同类共振模式，不同本质集体共振之间的强耦合尚未被发现，制约了对光与物质相互作用的深度调控；另一方面，偶然连续域束缚态的现有实验演示多将其归因于单一超原子的面内与面外多极分量的相消干涉，缺乏对集体共振杂化在其形成过程中作用的深入阐释，且相关机制尚未明确，无法为定制化功能超表面的设计提供完整理论支撑。

创新研究

研究团队创新性地提出介质超表面中对称保护准连续域束缚态与表面晶格共振的耦合杂化方案（如图1概念示意）。通过设计硅纳米盘阵列超表面，实现两种不同本质集体共振的可控相互作用，突破传统研究局限于同类共振耦合的瓶颈，成功在横向电场偏振下观测到强耦合反交叉效应，在横向磁场偏振下实现偶然连续域束缚态，验证了不同集体共振间强耦合的可行性，解决了此前无法对不同本质集体共振相互作用开展系统研究的问题。

图1. (a) 示意图与 (b) 所研究超表面的扫描电子显微镜（SEM）图像

研究人员采用理论分析、数值模拟与实验验证相结合的系统研究方法，利用耦合偶极子模型对共振耦合机制进行定量阐释（见图2）。首次明确集体共振杂化在偶然连续域束缚态形成过程中的关键作用，突破以往将该束缚态仅归因于单一超原子多极分量相消干涉的认知局限，并完善了相关解析理论，解决了准偶然连续域束缚态因理论支撑不足导致实验验证案例极少的问题。

图2.（上排）实测透射率与（下排）模拟透射率

研究团队通过优化超表面结构设计与测试调控方案，实现耦合效应的灵活可调（如图3调控特性展示）。通过改变入射角、偏振态及周围环境，可有效调控对称保护准连续域束缚态与表面晶格共振的耦合强度与作用形式，突破传统超表面功能调控灵活性不足的瓶颈，为定制化功能超表面设计提供全新范式，解决了可调谐纳米光子器件难以满足激光、传感等领域实际应用需求的问题。

图3. 基于耦合偶极子模型（CDM）模拟的（a）反射率光谱及（b–d）参与作用的非零偶极矩

总结与展望

该研究通过理论、数值与实验手段，首次揭示了介质超表面中对称保护准连续域束缚态与表面晶格共振的耦合及杂化效应。横向电场偏振激发下，二者强耦合呈现反交叉现象并伴随反射抑制，横向磁场偏振下弱耦合通过集体共振能量交换形成偶然连续域束缚态，且耦合机制可通过入射角、偏振状态及周围环境调控。耦合偶极子模型有效阐释了这些现象，为超表面集体共振的调控提供了核心理论支撑。

未来可进一步拓展集体共振耦合的调控维度，优化超表面几何与材料参数以实现更灵活的模式操控。该研究成果有望推动可调谐纳米光子学、高灵敏度传感、非线性光学及量子光子源等领域的技术突破，为新型光操控器件的设计与集成提供新路径。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02076-6