近日，我院物理与电子技术教研室团队的徐杰博士（第一作者及共同通讯作者）、罗亚梅博士和雍康乐博士在太赫兹功能器件领域取得了突破性进展。他们成功实现了超亚波长（百分之一真空波长）尺度的非凡光传输（Extraordinary Optical Transmission，EOT），该研究成果已于11月11日被国际知名学术期刊《Communications Physics》正式接收，题为“Topological and High-Performance Nonreciprocal Extraordinary Optical Transmission from a Guided Mode to Free-Space Radiation”。《Communications Physics》是Nature旗下一本致力于发表高质量物理科学论文的期刊，属于中科院物理与天体物理1区TOP期刊，其主要关注领域包括光学物理与光子学等离子体物理、凝聚态物理、核物理等。

前言

当我们往杯子里倒水时，表面张力使我们能够倒入比杯子容积更多的水。类似地，在1998年，Ebbesen等人发现穿过孔阵列的能量可以超过入射到孔中的能量，即归一化传输率大于1的现象，这就是非凡光传输（Extraordinary Optical Transmission，EOT）。表面等离激元被用来解释这一现象：EOT是由金属表面上的电子与出射端处的电磁波相互作用引起的，导致表面等离激元的激发。这些激发也对通过孔的传输产生影响，因此当将传输效率T与直接从自由空间入射到孔上的功率进行归一化时，这个归一化的T可以超过1。EOT现象在等离子体学、超材料和超表面领域引起了极大的关注，特别是在可见光和红外波段，并在许多实际应用中得到了利用。

近年来，拓扑光子学领域应运而生，为光波的传播与调控提供了新的、独特的视角。这个领域之所以引起广泛兴趣，是因为它支持鲁棒的电磁传输，基本不受结构缺陷和粗糙表面等的影响，并且允许激发严格的单向电磁波（没有背向反射或散射）。此外，这种结构中拓扑带的带宽完全由拓扑量决定，因此可以在目标波段进行宽带单向传输。

这些拓扑和非互易结构的固有特性对基于EOT的装置也很有帮助。事实上，目前大多数提出的EOT结构依赖于复杂的人工孔/缝阵列或锥形配置，这些结构仅在特定操作频率周围展现EOT现象，并且在单孔设备中，尤其是在微观/纳米镜中普遍存在低透射率。尽管一些研究表明EOT也可以在单孔几何结构中观察到，比如“牛眼”结构，但严格的干涉/共振/耦合条件使得确切的EOT条件仅在给定的单一频率下成立，导致该频率以外的归一化透射率通常低于1。此外，传统的EOT结构对结构缺陷或不完美非常敏感，需要高精度的器件制造。因此，通过单个深亚波长（或亚衍射）孔的吞吐效率通常非常低。例如在近场扫描光学显微镜（这是将光引导到纳米尺度的一种现有技术）中，通过一个比波长的平方小50倍的孔的透射率可能小于10-5。

拓扑电磁模式，特别是单向模式，可以帮助解决这些问题。在本文中，我们聚焦太赫兹波段，并引入了拓扑或非互易的单孔三维EOT结构，这些结构有望应用于诸多光子学领域。值得注意的是，由于存在非局域效应，因此在太赫兹波段实现真正的基于拓扑单向模式的EOT是具有挑战性的——这是本文最重要的且进行了深入分析和解决的关键问题。此前，我们报告了基于直磁光异质结构中局域（单向）表面磁等离子体子的二维（2D）非互易EOT结构。然而，那些研究仅限于二维（即关注缝隙而不是3D孔），没有包含非局域效应，并且假设结构是无穷厚的。最重要的是，它们即使在没有非局域效应的情况下，也没有达到本文报告的EOT性能。

研究概要

尽管过去二十年间，EOT现象在多个领域引发了广泛的研究兴趣，并取得了显著的进展，但基于拓扑保护的三维EOT现象却尚未被详细探讨。徐杰博士及其团队的研究填补了这一空白。他们利用磁光异质结构，并通过外磁场调控的方式，首次在理论上实现了三维拓扑保护的非互易EOT。该研究展示了一种创新方法，即通过利用磁化InSb和未磁化InSb的异质结构表面所支持的电磁波，可以实现极大的非凡光传输——透射能量与入射能量之比超过10倍！这一突破性成果为EOT在现实应用中的价值提供了有力证明，并有望为近场扫描光学显微镜（NSOM）等光学功能器件的设计提供新的思路和技术支持。此次研究得到了来自希腊大学的Konstantinos Baskourelos 以及 Kosmas L. Tsakmakidis教授（共同通讯作者）的共同参与。

基于单向模式的（a-c）二维及（d）三维EOT

文章DOI：https://doi.org/10.1038/s42005-023-01462-z