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近年来，由亚波长“超原子”组成的人工超材料和超表面以其独特的控光能力而引起了人们的关注。利用人工微结构，人们揭示了许多奇异的光学效应或功能，如增强透射、负折射、波前控制、高Q共振等。其中，高Q共振具有窄的共振线宽、极低的辐射损耗，对构造高性能滤波器、超灵敏传感器、慢光器件等具有重要意义。在众多研究工作中，一个广泛使用的设计方法是以亚波长金属或介质天线作为结构单元，并利用超表面单元的面内结构非对称性来实现高Q共振。最近的研究表明，该体系的Q因子与结构不对称参数的二次方之间成反比关系 [K. Koshelev et al., Phys.Rev.Lett. 121, 193903 (2018)]。该结果为超表面Q因子的有效调节提供可能。然而，由于超表面的结构不对称性难以调节，这为高Q共振的动态调控带来了困难。

最近，颜景春同学等利用亚波长小孔阵列（可视为金属天线的互补结构）实现了高Q共振效应的激发与动态调控，从而为解决上述问题提供了一种有效的方法。首先，通过在单层金属膜上引入周期的非对称矩形小孔二聚体，从理论和实验两方面研究了该全金属结构的高Q共振。研究表明：由于极低的欧姆损耗和辐射损耗，该结构在微波段的Q因子可以达到200左右。同时，在共振频率附近，小孔内电场相比于入射电场可增强127倍。此外，研究证实上述的Q因子与结构不对称参数的二次方反比关系同样适用于矩形孔二聚体。[参见：J. C. Yan et al., JAP 126, 213102 (2019)]

在此基础上，为了解决Q因子难以主动和有效调制的问题，我们提出了一种不同的高Q共振的激发机制。该机制利用两层耦合的超表面结构，其中一层刻有面内对称的矩形孔二聚体阵列，另一层则刻有矩形孔单体阵列。由于二聚体的两个矩形孔和单体小孔之间具有不同的电磁耦合系数，系统导致面间的电磁耦合不对称性。不同于面内结构不对称性，这种面间耦合不对称性是激发该系统内高Q共振的根本原因。值得注意的是，在电磁诱导透明（EIT）效应中，一个亮模可激发暗模，其耦合作用产生一个窄带的透明窗口。在我们的系统中，两个亮模（矩形孔二聚体）将激发第三个模式（矩形孔单体）；由于电磁耦合不对称性，两个亮模可由平行偶极子态切换为反平行态，且能量被有效地约束在小孔二聚体中。作为类比，这一效应或可称为电磁诱导的囚禁效应。

我们的研究表明，金属膜上的亚波长矩形小孔可等效为一个LC振子。利用这一模型和近场耦合近似，建立了三个亚波长小孔的耦合方程，获得了小孔间的电磁耦合系数、耦合不对称参数和电偶极矩。理论结果证明，系统的Q因子与耦合不对称参数的二次方成反比关系。这是对面内结构不对称超表面的相应反比关系的一个推广。而且，研究发现，面间的耦合不对称参数与两个超表面之间的横向位移有关。因此，通过控制其中一个超表面的横向位移（~λ/20），可以调节面间的耦合不对称参数，进而动态调控高Q共振及Q因子。这一功能是面内结构不对称超表面所不具备的。通过数值模拟和实验研究，我们证实了这些效应：该系统的高Q共振可以通过横向位移来实现激发、开关和动态调控，从而实现透射率（5~75%）、Q因子（180~330）和局域电场（28~205）的高效调制。这些效应可以拓展到太赫兹或可见光波段，对设计调制器、开关等光子器件具有一定的意义。该结果为高Q共振的激发和动态调制提供了新的途径。[参见：J. C. Yan et al., PRAppl. 14, 054003 (2020)]

上述工作一以“Trapped-mode resonances in all-metallic metasurfaces comprising rectangular-hole dimers with broken symmetry”为题发表于Journal of Applied Physics 126, 213102 (2019)；https://doi.org/10.1063/1.5128520

上述工作二以“Excitation and Dynamic Tuning of High-Q Resonances with Electromagnetic Coupling Asymmetry”为题发表于Physical Review Applied 14, 054003 (2020)。http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.054003

两篇文章的第一作者均为硕士研究生颜景春同学，黄成平老师为文章的通讯作者。该工作得到了江苏省研究生科研与实践创新项目的支持。