ROPP编辑优选：揭示光子复能带结构的新理论
文章介绍
通讯作者：
- 宋前举，西南科技大学数理学院
- 韩德专，重庆大学物理学院
研究背景：
光子晶体平板等开放周期体系由于与外界具有连续谱的辐射态耦合，形成具有有限线宽的导模共振，并产生连续谱中的束缚态（bound state in the continuum, BIC）、奇异点（exceptional point, EP）及偏振奇点等丰富物理现象。这些高Q共振态在非线性光学增强、激光、拓扑光场调控及手性光学等方向具有重要应用价值。现有理论通常依赖基于时域耦合模理论构建的有效非厄米哈密顿量来解释相关现象，但这类方法需要结合数值或实验结果进行参数拟合，缺乏严格的第一性原理基础与普适预测能力。为此，本研究旨在从散射矩阵极点出发，建立统一的复能带理论框架，以系统地揭示开放周期体系中复能带、BIC及EP等现象的形成机制与演化规律。
研究内容：
本研究从第一性原理出发，提出一种基于散射矩阵极点的复能带统一理论框架（图1），用于系统描述光子晶体平板中的导模共振及其物理机制。该方法通过确定散射矩阵极点所需的最小散射通道数，并建立其与体布洛赫波数的一一对应关系，将开放体系问题转化为有限布洛赫波之间的相互作用，从而揭示复能带结构的起源。
研究表明，少数布洛赫波的耦合即可统一解释多种关键物理现象。当存在两个传播布洛赫波时，理论可解析给出复频率与扰动强度之间的关系，揭示偶然型BIC的形成机制，并指出每个BIC均对应一个对偶的Fabry–Pérot模式（图2）。当三种布洛赫波耦合时，理论进一步解释了Friedrich–Wintgen型与对称保护型BIC的形成机制，并描述了共振线宽随结构参数的演化规律（图3）。此外，通过引入偏振自由度，该框架还可统一描述远场偏振态和EP（图4）等非厄米现象。该理论适用于一维、二维光子晶体平板及多种晶格结构（图5），并揭示了BIC在参数变化下的合并、湮灭与再生过程。
本研究的创新在于：依据散射矩阵的极点建立复能带的第一性原理描述；提出“体布洛赫波数目决定最小散射矩阵维度”的物理图像；统一刻画BIC与EP等关键现象。该工作为高Q共振结构设计及非厄米光子学研究提供了统一理论工具。
图1：散射矩阵及其在复频率平面上的极点
图2：偶然型BIC及其对偶的Fabry–Pérot模式
图3：Friedrich–Wintgen型与对称保护型BIC及其共振线宽演化规律
图4：EP的演化轨迹
图5：二维光子晶体平板中不同晶格的BIC
作者介绍
韩德专 教授
重庆大学
- 韩德专，重庆大学物理学院教授、博士生导师。复旦大学物理系本科，纽约大学物理系硕士(mini-CUSPEA)，复旦大学博士，香港科技大学博士后。2013年任重庆大学“百人计划”研究员。主要研究方向微纳光子学，近年在连续谱中的束缚态与复能带理论等方向取得系列成果。
期刊介绍
- 2024年影响因子：20.7 Citescore：31.0
- Reports on Progress in Physics（ROPP）作为涵盖物理学各分支的权威性综述期刊，长期以来享有盛誉。所有综述均由编委会邀请全球顶尖专家撰写，覆盖物理的经典和热点议题。同时，ROPP现在开始接受原创研究文章投稿。