近日，南方科技大学电子与电气工程系高振副教授课题组联合合作团队，首次在自偏置磁光光子晶体（无需外加磁场）中实验观测到手性连续域中的束缚态（chiral bound states in the continuum（BICs）），将手性连续域束缚态的实验研究从传统空间对称性破缺体系拓展至时间反演对称性破缺体系。相关成果以“Observation of chiral bound states in the continuum in self-biased magneto-optical photonic crystals”为题发表在国际学术期刊PNAS上。

连续域中束缚态（BICs）是一类能够在辐射连续谱中实现完全光场局域、理论上具有无限品质因子的特殊光学态，为强光局域与光场调控提供了重要平台，并在激光器、非线性光学和拓扑光子学等领域展现出广阔应用前景。近年来，手性特性与BICs的融合催生了手性BICs，成为手性光学与拓扑光子学的重要研究方向。传统手性BICs通常通过在保持时间反演对称性（time-reversal symmetry,TRS）的系统中破坏结构对称性来实现，但普遍存在品质因子受限、对加工误差敏感以及调控自由度不足等问题。近期理论研究表明，通过磁光效应打破时间反演对称性，可使简并的对称保护BICs分裂为一对具有相反手性的手性BICs（图1），为突破传统方案瓶颈提供了新的途径。然而，此类磁诱导手性BICs目前仍停留在理论预测阶段，尚缺乏实验验证，且多数方案依赖外加磁场，不利于器件集成与实际应用。相比之下，自偏置磁光光子晶体可借助材料剩余磁化强度实现时间反演对称性破缺，无需外加磁场即可实现非互易与手性调控，为磁诱导手性BICs的实验实现提供了理想平台。因此，开展自偏置磁光光子晶体中手性BICs的实验观测，研究形成机制与性能调控，不仅有助于填补相关领域从理论预测到实验实现的关键空白，也将为发展高鲁棒性、可调谐和片上集成的手性光子器件奠定重要基础。

图1.时间反演对称性破缺的磁诱导手性连续域束缚态物理机制（A）具有C6v对称性与时间反演对称性（TRS）的二维磁光光子晶体（上图），在Γ点存在一对二重简并的对称保护BICs（中图灰色圆点）。下能带的远场线偏振态（下图）在Γ点周围表现出整数拓扑荷，证实该简并对称保护BICs存在。（B）沿+z方向施加非零剩余磁化（上图白色箭头，M_r>0）以破缺TRS时，原本二重简并的束缚态会劈裂为一对手性相反的手性BICs（中图红色与蓝色圆点）。Γ点附近的远场偏振态由线偏振演变为近圆偏振态（下图）。（C）仅通过反转磁化方向（上图白色箭头），即可切换手性连续域束缚态的手性及其周边远场偏振特性，且全程无需改变光子晶体结构

研究团队构建了基于镧掺杂钡铁氧体（La:BaM）的自偏置磁光光子晶体模型（图2），该结构采用六角晶格原胞，每个原胞包含6个La:BaM介质柱。在未磁化状态（M_r=0）下，Γ点存在一对简并的对称保护BICs，其拓扑荷为−2，品质因子（Q因子）趋于无穷大，BICs周围的远场偏振以线偏振为主。当La:BaM柱被磁化后（M_r>0），原有简并的BICs在磁光效应作用下发生塞曼劈裂，模式耦合形成|A⟩±i|B⟩的圆偏振手性态，分别对应右旋圆偏振（RCP）与左旋圆偏振（LCP）。由于体系仍保持C₆对称性，手性束缚态得以保留，品质因子依然保持发散特性。与此同时，手性BICs周围的远场偏振也由线偏振转变为近圆偏振。

图2.自偏置磁光光子晶体手性BICs的数值仿真。（A）自偏置磁光光子晶体的几何参数与磁导率。插图为原胞结构，白色箭头指示剩余磁化强度M_r的方向。（B）M_r=0时的能带结构，两个本征模式在Γ点发生简并（灰色圆点）。（C）M_r≠0时的能带结构，Γ点处的两个简并本征模式劈裂为一对手性BICs（红色与蓝色圆点）。（D）M_r=0时，Γ点处两个简并模式|A⟩（D1）与|B⟩（D2）的本征场分布；（D3）中叠加态场分布|A⟩±i|B⟩，对应M_r>0下（D4）的手性本征模式|C±⟩分布。（E1、E2）分别为M_r=0（E1）与M_r>0（E2）时，下能带Γ点处BICs本征模式的磁场分量（Hx，Hy）侧视分布。（E3）偏离Γ点的泄漏模式所对应的圆偏振分量（C±）侧视分布，在M_r>0下表现出明显的手性选择特性。（F）第一列依次为M_r=0（第二行）、M_r>0（第一行）、M_r<0（第三行）时，下能带Γ点附近的远场偏振分布；背景色为归一化斯托克斯参数（S3/S0），用于表征模式的椭偏度与手性特征。第二列为品质因子（Q）分布，无论简并BICs（第一行）还是手性BICs（第一行、第三行），在Γ点均呈现发散特性

基于上述数值仿真结果，研究团队制备了自偏置二维磁光光子晶体实验样品，并在微波波段搭建了角分辨传输测试系统。实验表明，当剩余磁化强度沿+z方向（M_r>0）时，LCP与RCP分别入射下，原本简并的能带发生劈裂并呈现出显著的手性选择特性；由于Γ点仍为BICs模式，无法被外场直接激发，在透射谱上表现为明显的透射断点。进一步，在保持所有结构参数不变的前提下，仅反转剩余磁化强度方向，手性BICs与手性能带的手性响应即发生完全翻转，实验结果与数值仿真高度吻合。该结果首次通过实验证实，可在无外部磁场条件下实现磁诱导手性BICs。

图3.自偏置磁光光子晶体手性BICs的实验验证。（A）斜入射左LCP与RCP激发下，剩余磁化强度M_r>0（左图）与M_r<0（右图）的磁光光子晶体工作示意图。（B）实验装置示意图，主要包含矢量网络分析仪（VNA）、实验样品以及一对圆偏振透镜天线。（C）制备完成的自偏置磁光光子晶体样品实物图。（D）M_r>0时，斜入射LCP（上排）与RCP（下排）条件下的实验测量（左列）与数值仿真（右列）透射谱；Γ点处的红色与蓝色圆点分别对应上、下能带中的手性BICs。（E）M_r<0时，斜入射LCP（上排）与RCP（下排）条件下的实验测量（左列）与数值仿真（右列）透射谱，结果呈现出反转的手性选择特性

为验证所实现手性BICs的鲁棒性，研究团队引入了几何尺寸偏差、移除单个原胞、破坏C₆六重对称性这三类典型结构扰动。结果表明，即便存在上述结构缺陷，Γ点处BICs仍稳定保持非辐射特性与手性选择效应，其抗扰动能力显著优于传统保持时间反演对称性的手性BICs，为该结构走向实用化器件提供了重要的稳定性支撑。

图4.手性BICs的鲁棒性验证。（A-C）存在不同结构缺陷的磁光光子晶体样品示意图：（A）加工偏差结构，柱体参数为（h′,w′）=（h+1 mm，w−0.3 mm）；（B）移除一个完整原胞形成的缺陷结构（红色虚线框标出）；（C）沿x方向引入相对位移d，破坏C_6v对称性的微扰结构（插图中红色箭头所示）。（D-F）分别对应上述A–C三种缺陷结构，在LCP入射（上排，蓝色圆点）与RCP入射（下排，红色圆点）下测得的透射谱随入射角的变化关系。

综上所述，本研究首次在自偏置磁光光子晶体中实验实现了磁诱导手性连续域束缚态，揭示了时间反演对称性破缺条件下，简并BICs分裂为具有相反手性的手性BICs模式的物理机制，并验证了手性BICs的存在性、手性方向的可逆调控能力及其对结构缺陷的优良鲁棒性。该成果为理解非厄米体系与手性光场调控中的新物理机制提供了重要实验依据，对圆偏振激光器、手性传感、非互易光子器件及拓扑光子学的发展具有重要意义。研究进一步将该机制从微波波段拓展至太赫兹与光学波段，有望为高性能、可调谐、高鲁棒性的手性光子器件开辟新的技术路径，并推动集成光子学与量子信息技术的进步。

南方科技大学博士后公茂华为该论文第一作者，电子科技大学甄秋童博士为论文共同第一作者，南方科技大学高振副教授、电子科技大学周佩珩教授和南方科技大学访问学者孟岩副教授为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。此外，重庆理工大学胡鹏副教授，电子科技大学唐榆傑博士和南方科技大学涂清安博士也为该研究工作作出重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础基金、深圳市科技创新委员会、及南科大高水平专项资金等项目支持。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2536341123

供稿：电子与电气工程系

主图：丘妍

通讯员：李薇

编辑：任奕霏