本文由论文作者团队（课题组）投稿
连续域束缚态（BIC）是一种特殊的光学共振态，其位于辐射态的连续谱中，但却保持着完美的局域状态。作为连续谱中的奇点，理想的BICs具备无限高的品质因数和极强的光场局域能力，其可大大增强光和物质相互作用的特性也常被用来实现激光器和非线性谐波增强等。另外，BIC也常被用来揭示远场辐射偏振态的拓扑性质，其被证实是远场辐射偏振矢量的涡旋中心，具有可量化且守恒的拓扑荷，可以被用来实现具有一定拓扑荷的涡旋光束。
近期，清华大学深圳国际研究生院宋清华课题组，联合同济大学物理科学与工程学院施宇智、法国国家科研中心Patrice Genevet等人，首次从理论上提出了基于BIC的拓扑光力，利用BIC的光场局域能力和偏振奇点的拓扑性质来实现对微粒稳定的捕获和驱散，相关理论研究成果近日以“Exploiting Extraordinary Topological Optical Forces at Bound States in the Continuum”为题发表在Science Advances。
图1 上下层（A）对称和（B）对称性破缺的光子晶体平板结构和光力效果示意图
研究团队对图1A所示的对称的光子晶体平板进行研究，仿真得到的两条能带如图2A所示，颜色为品质因子的映射，可以发现上下两条能带都可以实现BIC，上下能带对应的远场辐射偏振态分别如图2B和C所示，显然上下能带的BIC具有相反的拓扑荷。
图2 对称的光子晶体平板能带（A）和远场辐射偏振态示意图（B,C）
进一步地，团队以对称结构和对称性破缺结构的远场辐射光力分布分别进行研究，发现光力矢量类似于远场辐射偏振态会绕着BIC点形成涡旋的光力，且在BIC点处形成一个光力的奇点。对于对称结构，其上下能带对应的光力分布如图3A和B所示，对微粒分别起到向中心捕获和向四周驱散的效果；对于对称性破缺的结构，即打破z轴对称性，BIC附近的远场辐射偏振态会由原来的线偏振涡旋转变成椭圆偏振涡旋，上下能带对应的光力分布分别如图3C和D所示，除了对微粒分别起到捕获和驱散的效果外，还可以进一步操控微粒的旋转状态。
图3 对称（A,B）和对称性破缺(C,D)结构对应的拓扑光力分布示意图
另外，通过选取合适的结构参数，使得能带对应的本征态可以实现多个BIC点（图4A），从而可以形成多个光力奇点的分布（图4B），同时对多个微粒进行操控。如图4C和D所示，也可以实现一个类似钻石形状的光学力近零的区域，可以被用来实现对微粒的分类和筛选。该研究成果对于纳米微粒的捕获和操控提供了一种新的思路，未来有望被集成到微流控系统中对纳米微粒进行多样化的操控。
图4 上（A,B）下(C,D)能带本征模式实现多个BIC时对应的光力分布示意图
H. Qin, Y. Shi, Z. Su, G. Wei, Z. Wang, X. Cheng, A. Q. Liu, P. Genevet, Q. Song, Exploiting Extraordinary Topological Optical Forces at Bound States in the Continuum. Science Advances, 8, eade7556 (2022).
https://doi.org/10.1126/sciadv.ade7556
本文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院宋清华特别研究员、同济大学物理科学与工程学院施宇智特聘研究员与法国国家科研中心Patrice Genevet研究员。第一作者为清华大学深圳国际研究生院科研助理秦昊烨，其他合作者包括清华大学深圳国际研究生院博士生苏增平和韦国丹副教授，同济大学王占山教授和程鑫彬教授，以及新加坡南洋理工大学刘爱群教授。
本文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院宋清华特别研究员、博士生导师，获得国家海外高层次人才，以及深圳市“鹏城孔雀”特聘岗位。研究领域包括电磁超表面，全息，拓扑光学，非厄密光学等，至今以第一/通讯作者的身份在Science、Science Advances(2篇)、 Light: Science & Applications（2篇）、Nature Communications(2篇)、Applied Physics Reviews（2篇）等国际高水平期刊发表多篇论文。课题组长期招收博士后、博士生与硕士生，欢迎具有光学，电磁学，物理，纳米材料等背景的研究人员加入课题组。博士后薪酬年薪30万，并提供每月2800元住房补贴，以及学院提供两年共计2万元的科研补助。
song.qinghua@sz.tsinghua.edu.cn。
