双梯度超构表面的连续光谱和耦合强度编码，有助于复杂材料系统的分析
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光学腔大大提高了我们对光-物质相互作用的操控能力，其应用范围广泛覆盖了从激光和光谱技术到量子信息处理。特别是在纳米科学领域，纳米谐振器（即光学腔的纳米级版本）填补了与量子点、范德华材料和分子等材料的尺寸差距。这推动了光催化、纠缠光子源、生化传感和极化子研究等领域取得了突破性进展。纳米谐振器中光与物质的相互作用从根本上说受两个关键参数的制约：光学模式与目标系统激发（例如激子或分子吸收线）之间的光谱重叠，以及由谐振器品质（Q）因数（定义为谐振频率与线宽之比）设定的相互作用强度。

就光谱重叠而言，基本目标是同时放大并探测材料的色散特性。为了实现必要的光谱覆盖，多重谐振纳米光子平台的研究提出了一些概念，例如等离子体低聚物、多重谐振等离子表面晶格谐振、双波段完美吸收器、分形等离子体和非局域超构表面等。然而，由于单个纳米谐振器或称为超构表面的二维谐振器阵列所能支持的谐振数量有限，这些平台往往面临限制。虽然有源超构表面允许一定程度的可调谐性，但它们通常无法覆盖宽光谱范围。因此，研究人员转而使用具有空间变化谐振器几何结构的超构表面，以便对光学响应进行局部调整。这一概念最初是为非谐振相位梯度超构表面而开发的，现已扩展到谐振系统。

虽然在光谱覆盖方面取得了巨大进步，但精确调整谐振器的耦合强度仍然存在挑战。最近的研究表明，对称保护的连续体束缚态（BIC）是一种很有前途的方法。通过调整几何参数，BIC可以微调其谐振线宽，从而控制光-物质相互作用的强度。这使得多光谱BIC驱动的超构表面在单个传感器平台上具有多达100个谐振器。虽然BIC能够有效探测光谱和耦合空间，但由于BIC本身是集体模式，需要相同谐振器的扩展阵列。每个超构表面至少由数百个相同的谐振器组成，只能探测二维光谱耦合参数空间中的一个点。这就无法对多组分分子混合物等复杂系统进行全面分析，因为这些系统需要大量数据来揭示其中发生的众多相互作用和效应。此外，它还阻碍了高光谱光学系统和紧凑型器件的集成。尽管在创建可调谐等离子体梯度用于折射率传感和更高次谐波生成的介电梯度方面取得了一些成功，但用于研究耦合空间和联合2D光谱耦合空间的综合平台仍然难以实现。

结合独立光谱梯度和耦合梯度的双梯度超构表面概念

据麦姆斯咨询介绍，蒙纳士大学、帝国理工学院和慕尼黑大学的研究人员引入了一种双梯度超构表面的概念，它能够无缝覆盖谐振波长和耦合强度的二维参数空间，是探究各种光-物质耦合现象的理想选择。首先，研究人员探索了光谱梯度，它提供了连续光谱可调的谐振响应。实验研究了梯度的光谱覆盖范围对谐振性能的影响。令人惊讶的是，研究人员发现在中等宽度的情况下，尽管存在扰动周期性，但梯度的性能与已构建的单光谱超构表面相当。同样，研究人员还提出了耦合（Q因数）梯度的概念。与广泛使用的在远场通过相位梯度操控光束轮廓的方法不同，耦合梯度能够在近场实现光与物质相互作用强度的空间映射。结合这些先进技术，研究人员在实验中实现了具有独立可调梯度的双梯度超构表面，在紧凑的空间内同时展示了宽泛的光谱和耦合强度覆盖范围。为了证明双梯度的能力，将其应用于表面增强分子传感，在这种情况下，需要宽泛的光谱覆盖范围来检索分子的独特振动指纹。研究人员不仅捕捉到了光谱指纹，还揭示了光谱数据的额外耦合维度，展示了谐振Q因数与检测灵敏度之间的浓度依赖关系。这种双梯度技术确保了在所有传感条件下的最佳灵敏度，而与分析物浓度或所用溶剂无关。

用于分子传感的双梯度超构表面

延伸阅读：

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《光学和射频应用的超构材料-2024版》

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》