利用太赫兹多BIC超表面的集成等离子体标尺用于数字生物传感

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在科技飞速发展的时代，通信技术和生物医学成像领域不断推陈出新，对相关技术的要求也日益多样化。连续域束缚态（BIC）自问世以来，凭借其高品质因数，在光子学和纳米光学等领域展现出巨大潜力。太赫兹波因具有强穿透能力、高分辨率成像和非电离辐射等特性，在安检、生物医学成像、传感和通信等众多领域备受关注。将BIC与太赫兹技术相结合，为研究和应用开辟了新方向，成为太赫兹研究的关键焦点。然而，传统研究多依赖磁偶极子模型分析BIC，在构建复杂多层结构时灵活性欠佳，难以满足超表面设计的高集成需求，且传统太赫兹成像系统在分辨率、信号干扰和复杂环境适应性方面存在挑战。

图1 图中展示了超表面结构及其太赫兹传输特性分析

该研究工作采用由金属Al和高阻硅衬底超表面组成的结构模型来构造BIC态，并在太赫兹频段实验实现了环偶极子产生的具有高Q因子值的对称保护BIC模式。研究表明透射率在0.34 THz附近时最低，能观察到一个明显的透射谐振谷。然后通过改变不对称参数δ时，透射率在0.63 THz时也有显著降低，产生了一个新的透射谐振谷，处于准BIC态。在f = 0.44 THz下，监测两种情况下超表面的表面电流分布，结构为明显的Dipole模式，表面都有明显的同向电流。而在f = 0.63 THz下，当超表面结构处于对称时，结构由偶极子模式转换成明显的LC模式，表面电流分布呈左右两个相互反向的闭环相反电流分布，这时会产生闭合的环偶极矩T，产生环偶极子模式共振。

由于超表面中集成多个通道，每个通道可以对不同频段的电磁波进行调制和控制，当电磁场分布被合理调控时，超表面就可以实现多通道可编程数字化成像。并且超表面在BIC状态有高Q值和尖锐的共振峰，能够支持非常窄的光学模式，进而使得不同光学模式之间的相互干扰被最小化，同时实现了更好的模式隔离，还会进一步提升系统的精确控制能力。通道Ⅰ和Ⅱ具有不同的共振频率，能够有效隔离来自不同源的干扰信号。当通道Ⅰ对应的波段被占用时，可以启用通道Ⅱ来实现动态显示成像的功能。并且不同通道之间可以协同工作，实现信号的分离和处理、提高整体系统对电磁干扰的鲁棒性，能在存在干扰的环境中保持稳定的成像性能。

图2 图中展示了超表面BIC和准BIC状态下的电磁场分布特征

在BIC模式下，电磁波的能量传递方向主要是在z轴方向上，电磁能量场就被局限于xOy平面上。一旦打破对称，准BIC模式下会有能量泄漏产生，在BIC模式下f = 0.44 THz附近，完全对称结构的超表面上几乎没有磁场泄露，而在f = 0.63THz下，打破对称的结构在xOy平面上有较强的磁场泄露，准BIC的磁感应强度B显著增强。当从BIC模式转变成准BIC模式时，电场强度E主要被束缚左右两个间隙之中，大小也有明显的增强。BIC态下的能流密度S很微弱，而准BIC态下能流密度有显著的增强，z方向有明显的电磁能量泄露。通过逐步破坏超表面对称性，成功实现了从BIC到准BIC的转换。这种方法提高了BIC的Q因子，增强了电磁能量存储与释放能力，有助于提升太赫兹成像和通信的稳定性。

图3 图中展示了对称破缺超表面的BIC传输特性与能带调控

太赫兹波进行生物医学检测主要是利用了正常细胞、半癌变细胞和癌细胞的结构特征不同的特点。正常细胞的中水分子含量相对较低，对太赫兹波的吸收较少；而癌细胞通常含有较高的水分子浓度，它们对太赫兹波的吸收率相对较高。同时，由于环偶极矩产生的BIC下具有很强的局部电磁场增强效果，这增强了磁光效应，提高太赫兹光在癌细胞或分子检测中的应用效果。且BIC处具有高斜率、窄带的特点，在两个尖锐的共振峰处，不同折射率的细胞透射率最小值对应的响应频率是不相同的，因此只要频率发生微小的频移，透射率的值会有特别大的变化。根据这一特点，就可以实现生物成像的集成等离子体尺，进而实现高分辨率、高效的超表面生物传感。这可以有效帮助医疗人员进行癌细胞早诊、快诊以及精确定位，为太赫兹实现高效的生物医学传感提供了新的可能性，具有很大的生物医学前景和实用意义。