连续谱中的束缚态(BIC)是一种叠加在连续背景谱上的理想局域模式，它具有无穷大的品质因子(Q因子)。在实际应用过程中，人们通常需要将它转换成Q因子有限大的准BIC才能被外界激励源所激发。伴随着高Q准BICs出现的同时，结构在共振波长处出现强烈的光场局域。因此，高Q准BICs被广泛用来促进提升光与物质的相互作用，比如激光器，非线性谐波增强，强耦合等。根据形成的物理机理，BICs可以分为对称性保护BICs, 偶然性BICs, FW-BICs以及法布里-珀罗BICs。其中对称性保护BICs最为常见，也最容易实现。它通常出现在具有高度对称性的周期性结构中。通过打破元胞的对称性，对称性保护BICs将会转换成具有高Q因子的准BICs。是否存在在结构对称性打破的情况下依然支持BICs这一科学问题尚未得到解决。

针对这一科学问题，实验室李林研究员团队和物电学院黄陆军研究员团队开展了相关研究。研究发现基于二聚体的非对称超构表面和光子晶体平板支持在第一布里渊区中心的BICs。超构表面的元胞主要有两个具有不同半径的介质圆盘组成。计算发现只要当圆盘中心间距等于超元胞周期的一半时，不管两个圆盘的半径是否相同，BICs始终存在。此外，该类BICs对结构的形状具有很强的鲁棒性。对该本征模式进行多极子分解发现该模式是有环形偶极子主导，磁偶极子和磁四极子有微弱的贡献。通过改变超元胞中的圆盘之间的距离，BICs会转变成准BICs。进一步研究发现，沿着y方向移动的准BICs的Q因子比沿着x方向移动的准BICs的Q因子高三个数量级，这为实现基于BICs的超高Q因子的光学共振提供了明确的思路。研究团队加工了一系列相应的二聚体超构表面和光子晶体平板并对它们进行了测试。测试结果表明准BICs的Q因子随着间距偏离超元胞半周期显示急剧的下降，最高的Q因子高达22633。然而共振波长非常稳定。

该研究成果以华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室为第一单位发表于Appl. Phys. Rev. 11, 031404(2024)，并被编辑选为亮点论文和期刊封面。李林研究员、黄陆军研究员为论文通讯作者，博士研究生钟浩宗为论文第一作者。该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委等项目资助。

论文链接：

https://pubs.aip.org/aip/apr/article/11/3/031404/3302973/Toroidal-dipole-bound-states-in-the-continuum-in

图1. a-b二聚体超构表面示意图，c Q因子与右边圆盘半径关系图, d，不同半径下的本征电场和磁场分布。