激光网3月23日消息，探索波在各种介质中的传播和定位一直是光学和声学的核心关注点。具体来说，在光子学和声子学中，科学家们一直致力于理解和控制光和声波在周期性介质中的行为。
光子晶体具有独特的带隙特性，为研究波的传播和定位提供了一个极好的平台。这些由晶体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大小的强烈影响。人们普遍认为，这些模式更容易局限于大型系统，因为隧道的概率随着系统尺寸的增加而显着降低。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，连续谱中的束缚态引起了人们的注意，因为它们揭示了某些独特的模式可以被限制在特定区域内，即使在连续光谱中也是如此。这种现象为理解和控制光波的定位提供了新的视角。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》杂志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。传统观点认为，束缚态的特征值谱是离散的，而非缚态则形成连续谱。
例如，在电子系统中，如果粒子的能量低于无穷大的势能，则该状态与离散光谱绑定;而能量高于势能的粒子散射，形成连续光谱。
对于光波和声波，由于势垒施加的边界条件而形成离散状态。这些离散状态可以完全局限于理想条件。然而，当势垒宽度有限时，状态有可能穿过势垒并成为共振态。
值得注意的是，连续谱中的束缚态在空间上束缚在连续光谱的能量/频率范围内。本研究引入了一个与BIC平行的反直觉概念：某些状态可以完全结合在非常薄的带隙材料中，使它们无法穿过带隙材料。
该研究首先展示了一种特殊的镜对称光子晶带结构，其中边界模式的跃迁可以得到精细控制。当光子晶体的宽度很小，两侧的边界模式相互作用并分裂为奇数和偶数模式。
在特定的波矢量下，边界模式的耦合强度为零。即使宽度的光子晶体非常小，边界模式不能从光子晶体的一侧跳到另一侧。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，这项研究还是挑战了这一观点，并开辟了一种在微观尺度上操纵光子行为的新方法。
按照先前的构型，研究人员去除了光子晶体的一个PEC边界，揭示了一种新的构型。他们发现，特定节点波矢量处的剩余边界模式完全被捕获，形成了连续体中的有限势垒使能束缚态。
由于两种边界模式的解耦，这些 FBIC 表现出非辐射特性。在边界模式的耦合强度为零的节点上，当PEC的一侧被移除时，存在辐射系数为零的状态，其频率与双PEC场景中的节点频率相匹配，将其识别为FBIC。
此外，通过将圆形电介质改为椭圆形以打破原有的镜像对称性并引入新的几何参数η，该研究在 kx-η 参数空间中定义了一个绕组数，揭示了 FBIC 的拓扑特征并确认这些模式为 BIC。
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进行了实验验证，证明了边界模式在极少数晶格位点内的完全定位，为实现 BIC 提供了一种新颖的方法。
这项开创性的研究探索了光子晶体中的新物理现象，并实现了对边界模式的精细控制。这项工作不仅在理论上为光子晶体中边界模式的隧穿和边界提供了新的认识，而且通过微波实验证实了边界模式在特定波矢量处的完全定位，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。它还为使用光子晶体增强光-物质相互作用提供了新的策略，有可能在非线性光学以及光与二维材料之间的相互作用方面取得突破。这些发现可能会激发未来的研究，例如将这些原理应用于其他波系统，如声子晶体。
