物理学院韩德专研究员课题组在Science子刊《Science Advances》上发表研究成果

2020年8月，重庆大学韩德专研究员与香港科技大学陈子亭教授、清华大学郑春雄教授以及复旦大学资剑教授科研团队合作，从理论上构建了首个严格可解的连续谱中束缚态(Bound state in the continuum, BIC)模型。相关研究成果以《宇称时间对称性诱导出来的一类新型连续谱中束缚态和激光阈值态的共存现象》“Coexistence of a new type of bound state in the continuum and a lasing threshold mode induced by PT symmetry”为题发表在Science子刊《Science Advances》杂志上。此项工作以重庆大学为第一单位和通讯单位，重庆大学宋前举、清华大学胡嘉顺和重庆大学戴士为为共同第一作者，重庆大学韩德专研究员、香港科技大学陈子亭教授和清华大学郑春雄教授为共同通讯作者。

BIC是一类特殊的共振态，其动量和频率虽然与自由空间模式匹配，却具有无限大的品质因子，因此在过去近二十年内引起了很大的研究兴趣。传统的观点认为既然BIC位于连续谱中而不向外辐射，那么它也不能被来自远场的波所激发。因此，更早的光学和声学文献将这种模式形象的称为deaf mode。由于它本身不能向自由空间辐射，所以对BIC更加准确的描述应该是deaf-mute mode。

然而本研究发现一种由PT对称诱导的新型BIC，我们称之为pt-BIC。与传统BIC相似，这种pt-BIC具有纯实的频率，它不向外辐射，但是很特别的是，它能被来自远场的波激发。换句话说，这种pt-BIC是mute but not deaf mode。基于理论上构建的严格可解的BIC模型，我们在PT对称扰动下证明了这种反直觉的现象。值得一提的是这里研究的BIC和pt-BIC都不受材料和几何参数的限制，在参数空间中可以稳定存在。而且，我们发现对于其他支持BIC的周期结构，PT对称也会诱导出pt-BIC。

此外，pt-BIC的存在也揭示了PT对称系统中一些新的物理现象。在PT对称的系统中，大多数研究关注两个态合并在一起（对应的本征值和本征态合并），从而产生EP点。本工作将增益和损耗引入支持BIC的系统中，会发现一个新颖的现象：PT对称性会导致态的分裂。一个BIC会分裂成两个具有纯实能量的态：pt-BIC和激光阈值态。事实上，我们证明了pt-BIC和激光阈值态分别对应非厄米矩阵的左矢和右矢。因此这种态分裂的现象是普遍存在的，可以直接推广到其它的周期系统中。

这些新奇的物理现象与备受关注的基于EP点的现象完全不同。因此该结果为研究PT对称和非厄米物理提供了全新的方向。同时，这种可以通过远场激发的束缚态也为BIC在激光、超敏感探测等方面的应用提供新的可能。

文章链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/34/eabc1160

DOI: 10.1126/sciadv.abc1160

该研究得到了国家自然科学基金，重庆大学校长专项基金，香港研究资助局等的资助。