南京邮电大学黄磊副教授以及南洋理工大学苏锐副教授研究团队《Laser & Photonics Reviews》:连续介质中束缚态激子-极化激元的研究进展

南京邮电大学黄磊副教授以及南洋理工大学苏锐副教授研究团队《Laser & Photonics Reviews》：连续介质中束缚态激子-极化激元的研究进展。

关键词：连续域束缚态；激子-极化激元；超表面；强光-物质耦合；极化激元激光

过去十余年间，传统光学微腔中激子与腔光子的强耦合现象已得到广泛研究，并在低阈值激光、量子光学与信息器件等方向展现出重要潜力。然而，受限于有限的品质因子和模式体积，传统微腔平台在进一步增强光与物质相互作用方面仍面临挑战。相比之下，连续域束缚态（bound states in the continuum, BICs）是一类嵌入辐射连续域中的无辐射本征模，理想情况下可表现出极高的辐射Q因子和强烈的电磁场局域能力，为构建新一代强光-物质耦合平台提供了新的思路。

近日，南洋理工大学物理与数学科学学院、南京邮电大学化学与生命科学学院以及南洋理工大学电气与电子工程学院的研究团队在 Laser & Photonics Reviews 发表题为 “Advances in Exciton-Polaritons With Bound States in the Continuum” 的综述论文。该论文系统总结了连续域束缚态与激子-极化激元交叉领域的最新研究进展，并指出这一新兴方向在室温宏观量子态、低阈值极化激元激光以及新型拓扑光子器件等方面具有重要发展潜力。

激子-极化激元（exciton-polaritons）是半导体激子与腔光子在强耦合条件下形成的混合光-物质准粒子，兼具光子的超轻有效质量和快速响应特性，以及激子的强非线性相互作用，因此成为研究玻色-爱因斯坦凝聚、超流和量子涡旋等集体现象的重要平台，也为实现低阈值极化激元激光、全光逻辑等高性能极化激元器件提供了可能。另一方面，BICs 被引入光子系统后，展现出高Q共振、动量空间偏振奇点以及拓扑偏振涡旋等独特性质，可显著增强光与物质相互作用。将 BICs 与激子-极化激元结合，不仅有望延长极化激元寿命、降低凝聚阈值，还能引入可工程化的偏振与拓扑特征，为室温极化激元物理和新型光电器件开辟新的实现路径。

图1展示了激子与腔光子发生强耦合时形成激子极化激元的基本物理图像。在半导体微腔中，激子与腔光子之间持续发生能量交换。当耦合强度超过体系损耗后，系统进入强耦合区，原本独立的激子态和光子态会杂化为上、下两支极化激元；同时，极化激元中的激子成分与光子成分会随失谐量变化而重新分配。由于这种混合准粒子同时兼具光子的轻质量和激子的强非线性，激子极化激元成为研究凝聚、激光与非线性量子光学的重要平台。

图2对比了极化激元激光与传统光子激光的工作机制。传统激光依赖粒子数反转，而极化激元激光则依赖玻色增强散射使粒子在低能态发生宏观占据，因此通常能够实现更低阈值的相干发射。

图3展示了 BIC 的两个核心特征：一是“连续域中的束缚”，二是“动量空间中的拓扑偏振奇点”。 它是一种处于辐射连续谱中却几乎不向外辐射的特殊模式，具有无限的Q因子和极强的场局域化特性。与此同时，BIC 附近的偏振矢量场会围绕奇点发生旋转，这种绕转可用拓扑电荷来表征，不同旋转方向对应不同符号的拓扑电荷。

图4阐述了按物理起源不同，BIC 主要分为两类：一类是对称性保护型 BIC，其辐射被系统对称性严格禁止，通常出现在动量空间的高对称点；另一类是偶然型 BIC，其本质来自不同辐射通道之间的相消干涉，并可进一步分为 Fabry–Pérot BIC、Friedrich–Wintgen BIC 和单共振参量 BIC。两者的共同结果都是抑制辐射、形成高 Q 束缚态，但根本区别在于是否依赖对称性约束。

图5发现在引入激子之前，BICs 模式之间本身就已经能够实现丰富而可设计的强耦合效应：无论是金属—介质双层纳米光栅中形成的高 Q 共振，还是硅纳米棒二聚体超表面中出现的类 EIT 响应，以及进一步发展出的手性 BIC 激光，都表明 BICs 不仅能够有效抑制辐射损耗、提升模式品质，还可以通过模式杂化赋予体系新的光学功能，为后续构建 BICs 极化激元体系打下了重要基础。

通过图6，BIC 与激子的强耦合已经从早期概念验证，快速发展到室温、大劈裂和更强场约束的实用平台。最早，基于单层 WSe₂/Ta2O₅ 被动超表面的理论设计仅实现了 5.7 meV 的 Rabi 劈裂；随后实验上在类似结构中把室温劈裂提升到 27 meV，并获得了 低于 3 meV 的极化激元线宽。为了进一步增强耦合，研究者又通过 Bloch 表面波约束 将劈裂提高到 70 meV，在 等离激元 BIC 平台中进一步实现了室温 93 meV 的劈裂。而在主动超表面中，由于激子与局域光场实现了更完整的空间重叠，耦合强度继续提升，材料 WS2结构中甚至获得了 116 meV 的 Rabi 劈裂。BIC 极化激元正在沿着“更强耦合、更高温度、更高集成度”的方向持续推进，为后续低阈值极化激元器件和片上非线性光子学奠定基础。

图7展示出BICs 正在把激光器从“大体积高 Q 共振”推进到“微型化、手性化和电驱动集成”新阶段。一方面，有限边界设计通过引入两种晶格形成光子带隙，在抑制面外辐射的同时降低面内耗散，实现了紧凑尺寸的高 Q BIC 微腔；另一方面，基于对称性破缺和能带折叠，BIC 激光进一步拓展到垂直与非垂直方向的手性激光输出，并实现了与单层 WS2 谷激子的相干耦合。更进一步，电驱动微型化 BIC 激光器利用平带结构与合并 BICs 设计，将器件面积压缩到仅约 3λ²，同时仍实现超低阈值和约 20 dB 的旁模抑制率，显示出 BICs 在高性能片上微纳激光器中的突出应用潜力。

图8体现 BICs 极化激元凝聚已从低温验证迈向室温、可重构和拓扑可控的新阶段。 在受限 GaAs/AlGaAs 波导中，研究者首先实现了超低阈值的 BIC 极化激元凝聚，而且凝聚并非出现在传统色散极小值处，而是发生在动量空间的鞍点；随后，在单晶 CsPbBr₃ 钙钛矿光子晶格中，进一步实现了室温 BIC 极化激元凝聚，并获得了超过 150 meV 的 Rabi 劈裂。在此基础上，BIC 平台又被拓展到可重构“量子流体分子”和有机超表面中的拓扑凝聚：前者利用负有效质量分支实现可编程的键合/反键合态，后者则在 Γ 点支持两支拓扑电荷分别为 q = −1 和 q = +1 的 BIC 极化激元模，并可通过调节填充因子实现两种 BIC 激光态之间的切换。即BICs 不仅降低了极化激元凝聚阈值，更让室温相干发射、拓扑涡旋和模式重构真正走向可设计与可操控。

本篇综述表明，BICs 与激子-极化激元的结合正在开辟光与物质相互作用的新方向：一方面，BICs 提供了超高 Q 因子和拓扑偏振特性，另一方面，激子-极化激元带来了强相互作用和可调非线性，使该体系从低温 GaAs 平台一路扩展到钙钛矿、有机半导体和二维半导体等室温体系，并已实现多种 BIC 极化激元形成与凝聚。展望未来，连续波与电驱动 BIC 极化激元激光、新型集体量子相、moiré-BIC 架构、非厄米 BIC 极化激元以及高性能极化激元逻辑器件，都有望成为这一方向的重要突破口。

作者简介

黄磊现任南京邮电大学化学与生命科学学院柔性电子国家重点实验室副教授。他于中国东南大学先进光子学中心获得博士学位，自2025年7月起担任南洋理工大学物理与数学科学学院物理与应用物理系访问学者。其研究领域涵盖等离子体学、纳米光子学及超快光谱技术。

金峰现为南洋理工大学物理与数学科学学院博士研究生，由苏锐副教授指导。他于2021年获得南京理工大学学士学位，2022年取得新加坡国立大学硕士学位。其研究方向涵盖激子极化子、拓扑光子学、光物质相互作用及纳米光子学等领域。

沈福焕现任新加坡南洋理工大学物理与数学科学学院物理与应用物理系博士后研究员。他毕业于香港中文大学，研究方向聚焦于等离子体/介电纳米光子学及二维材料中的光物质相互作用。近期，他致力于连续介质束缚态（BICs）相关研究项目，包括其在BIC极化激元、二阶非线性光学及玻色-爱因斯坦凝聚中的应用。

胡孟冉现就读于南京邮电大学化学与生命科学学院柔性电子国家重点实验室，攻读本科阶段学位。参与多篇学术论文的撰写工作。其研究领域包括超表面光子学与光电子器件。

苏锐现任新加坡南洋理工大学物理与数学科学学院及电气与电子工程学院副教授，全职任教。他于2014年获得中国武汉大学学士学位，2019年取得新加坡南洋理工大学博士学位。其研究领域涵盖光物质相互作用、激子极化子、拓扑光子学、二维材料及纳米光子学等前沿方向。

相关链接

https://doi.org/10.1002/lpor.202503270