eLight | 零拓扑荷合并BIC实现高鲁棒的强手性响应

利用连续域束缚态来实现光场局域增强，是当前光子学研究的热点。简单来说，通过打破超表面结构的对称性，可以将完美的BIC模式转变为具有有限辐射的准BIC，从而获得极强的光与物质相互作用，包括手性信号。

然而，现有的主流方案普遍存在一个缺点：它们获得的优异手性响应，通常仅仅局限在动量空间（k空间）的一个孤立点（Γ点）附近。这意味着，只有当光束完美地垂直入射时，器件才表现出最佳性能。一旦光束方向稍有偏移，哪怕是几度角，其灵敏度（Q值）便会急剧衰减，手性响应也迅速减弱。

此外，为了产生强手性，许多设计不得不采用复杂的三维纳米结构，这不仅对加工精度提出了苛刻的要求，也使得器件的性能极易受到微小工艺偏差的影响，甚至可能导致手性反转。因此，如何在保持结构简单、易于制造的前提下，同时实现高Q值、强手性和宽角度鲁棒性，成为了该领域从实验室走向实际应用的难关之一。

研究团队的核心创新，在于提出了一种“零拓扑电荷合并BIC” 的全新机制，将原本局域在孤立点上的手性响应，拓展为一片宽阔且稳定的动量空间区域。

这个过程可以形象地理解为一系列连贯的 “拓扑电荷操控”。他们从一个具有高度对称性的方形硅纳米阵列出发，通过三步巧妙的“扰动”设计：

• 引入面内偏移：在纳米结构上刻蚀微小的偏移孔洞（d_y），打破结构的C₄对称性，使得原本简并的能带发生分裂，多个“偶然BIC”从中分离出来；

• 创造手性源：利用衬底引入的垂直方向不对称性，将这些偶然BIC转变成为携带半整数“拓扑电荷”的圆偏振奇点（C点）——这正是强手性响应的物理源头；

• 驱动电荷汇聚：再次施加一个面内扰动（d_x），驱动这些带有不同“正负电荷”的C点在动量空间中有序运动、交换电荷。最终，相同“手性”的C点被吸引并汇聚到中心附近（Γ点），而相反“手性”的C点则被排斥或湮灭。

这一系列操控的最终结果是：在Γ点周围，形成了一个大范围且稳定的“手性安全区”（即宽动量域k空间）。在这个区域内，无论光束从哪个角度入射，都能获得稳定且接近理想值的手性响应，从而从在一定程度上克服了传统设计“高性能仅限特定角度入射”的困难（图1、图2）

图1：基于零拓扑电荷合并BIC的宽动量域手性超表面

图2：从ZTC合并BIC到手性鲁棒k域的演化过程

理论上的设计需要在实验中接受检验。研究团队在标准的绝缘体上硅平台上，成功制备出了这种平面手性超表面。实验测试相关指标均达到较高水平。

• 近理想手性：在1312 nm波长处，实现了高达0.99的圆二色性，意味着它对左旋和右旋圆偏振光的区分度接近理论最大值；

• 高灵敏度：其Q值超过了10,000，绝对效率达到82%；

• 宽角度鲁棒：实验证明，即使入射光角度倾斜达到5°，在360°方位角内，其手性响应保持稳定，Q值高于5000（图3）。

图3：宽范围最大手性k域超表面的实验验证。

这项研究的价值在于通过零拓扑电荷合并BIC将超高灵敏度、近理想手性、宽角度鲁棒性和易于制造这四个特性，统一到了一个的平面超表面平台上。

它所采用的单层平面结构，与当前半导体工艺兼容，易于大规模制备，工作波段还可以扩展到可见光、太赫兹等，甚至可以与发光材料、二维材料等集成。这为下一代高性能手性光子器件的开发，提供了一条可能的技术路径。

本工作将有望支撑研发：

• 高灵敏度的手性分子传感器，能在低浓度下快速检测药物或疾病标志物；

• 集成的手性光源，产生纯净的圆偏振光，用于量子通信和显示技术；

• 新型光通信元件，利用手性作为新维度，实现更快速、更安全的数据传输。

这些应用方向的探索，将有望推动手性光学从单一功能走向多元集成，从原理验证走向真实场景。

Hu, H., Zhou, C., Zhang, Y. et al. Robust chirality via merging accidental BICs with net zero topological charge. eLight 6, 12 (2026). 

https://doi.org/10.1186/s43593-026-00126-z