非厄米光学系统存在异常点（Exceptional Points, EP）和连续域束缚态（Bound States in the Continuum, BIC）两类关键的光学奇异点，具有独特的拓扑特性与应用潜力。EP是非厄米系统中的特殊简并点，其本征态坍缩特性可用于实现高灵敏度传感和单向光传输；而BIC则因其理论上无限大的品质因子（Q值）和动量空间的拓扑保护机制，为设计低损耗光子器件提供了全新思路。然而，在可见光波段的金属结构中要实现EP与BIC的协同调控，以及对拓扑能带的精准操控仍面临着挑战。
近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室N10课题组提出了一种基于金属-介质复合超表面的解决方案。
研究团队采用一维Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型结构，通过精确设计银光栅二聚体超表面的几何参数（图1(a)-(c)），在可见光波段成功实现了对EP和BIC的精准调控。研究发现，通过调节金属光栅的厚度可以等效调控SSH模型中的元胞内/外耦合强度，从而诱导基于BIC的横磁（TM）模式发生拓扑能带翻转（图1(d)-(f)）。测量结果表明，该结构在可见光波段（约600nm）仍能维持较高的品质因子，这得益于BIC对辐射损耗的有效抑制。此外，他们通过引入等效的增益-损耗因子，理论上成功预测Dirac简并点附近的一对EP（图1(g)-(i)），这为拓扑光学奇点操控提供了一种有效且可行的实验方案。
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图 1 (a)-(c): 基于SSH模型的一维金属光栅超表面设计；(d)-(f): 基于金属BIC的拓扑能带翻转；(g)-(i): Dirac点附近的EP操纵
本研究为集成光子学、量子信息处理等领域开发新型拓扑光子器件奠定了理论与实验基础。该研究成果以"Topological Band Engineering in q-BICs and EPs Derived from Visible Range Plasmons"为题，于2025年3月26日在线发表于《Nano Letters》。中国科学院物理研究所博士生李慰（已毕业）、联合培养研究生罗猜和主任工程师田士兵为论文共同第一作者，中国科学院物理研究所顾长志研究员、郭阳副研究员和清华大学深圳国际研究生院宋清华副教授为共同通讯作者。该研究受到科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院以及广东省的项目资助。
编辑：姬子隰