中国科学院 一种无BiC的零指数PhC板
形成零折射率的光子偶极子模式导致面外辐射，显著增加了材料的传播损耗
带BIC的零指数预应力混凝土板
在特定高度，所有向上/向下的平面外辐射相消干涉
荣誉:、九九良、卡梅德-穆尼奥斯、刘跃洋、唐、基塔、、朱卫国、埃里克、杨莉 折射率为零会产生振幅为零且方向不明的波矢
因此，在零折射率介质中传播的光不会累积任何空间相位提前，从而产生完美的空间相干性
这种相干性带来了几个潜在的应用，包括任意形状的波导、无相位失配的非线性传播、大面积单模激光和扩展的超辐射
实现这些应用的一个有前途的平台是集成的狄拉克锥材料，其特征是阻抗匹配的零指数
然而，尽管该平台通过其纯电介质结构消除了欧姆损耗，但它仍会产生面外辐射损耗(约1 dB/微米)，从而将应用限制在小范围内
2018年，斯坦福大学范善辉教授的研究小组基于连续体中受对称性保护的束缚态设计了一种低损耗狄拉克锥零指数材料
然而，这种狄拉克锥由高阶模式组成，因此将光子晶体板均匀化为体零折射率介质具有挑战性
在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，由中国清华大学精密仪器系的杨力教授和美国约翰·阿
美国哈佛大学保尔森工程与应用科学学院、中国国家纳米科学与技术中心纳米制造实验室的朱卫国教授及其同事实现了基于纯电介质光子晶体板(PhC板)的零指数设计
这种设计支持在布里渊区中心的电单极模式和磁偶极模式的偶然狄拉克锥简并
这种基于低阶模式的设计可以更好地被视为均匀的零指数介质
一个零指数PhC板及其单元电池的三维示意图，由嵌入二氧化硅中的硅柱组成
BIC零指数预应力混凝土板设计的参数扫描
偶极模的品质因数(彩色图)以及在布里渊区中心的单极和偶极模的简并度(白线)是柱半径和高度的函数
红点表示单极模式和高Q偶极模式的简并
显示狄拉克锥色散的三维色散面，对应于(b)中红点处的优化参数
有效折射率和传播损耗
当有效指数的实部过零时，损失曲线到达谷底(~0
15 dB/mm)，表明超低损耗零指数
荣誉:、九九良、卡梅德-穆尼奥斯、刘跃洋、唐、基塔、、朱卫国、埃里克、杨莉 他们的设计由嵌入二氧化硅背景矩阵中的硅柱的正方形阵列组成，其特点是使用标准平面工艺容易制造
为了减少辐射损失，他们将零折射率聚碳酸酯板的顶部和底部界面模拟成两个部分反射镜，形成法布里-珀罗腔
然后，他们调整这个FP腔的厚度，以在远场中引起向上(向下)辐射的相消干涉
在每个柱内，有偶极对称的轴向传播模式，表现出整数倍2π的往返相位，因此成为共振俘获模式
单极模式由于其固有的模式对称性而不在平面外方向辐射
“我们的设计显示面内传播损耗低至0
零指数波长下为15分贝/毫米
此外，折射率接近于零(|neff| 从左边入射的平面波激发了PhC板
在光子晶体光纤的条件下，入射光可以在很小的损耗下长距离传播
然而，没有BICs，电场在PhC板的输入端急剧衰减
位于BIC零指数PhC平板中心的电偶极在大面积上全方位辐射
然而，一个电偶极子在没有BICs的零指数PhC板的中心只能辐射一小块区域
荣誉:、九九良、卡梅德-穆尼奥斯、刘跃洋、唐、基塔、、朱卫国、埃里克、杨莉 对于应用，刘跃洋预测:“我们的片上BIC狄拉克锥零指数PhC板提供无限相干长度和低传播损耗
这为大面积零折射率材料在线性和非线性光学以及激光器中的应用打开了大门
例如，通过具有任意形状的零折射率波导的电磁能量隧穿，在长的相互作用长度上没有相位失配的非线性光产生，以及以单模在大面积上产生激光
" “这项工作还可以作为一个片上实验室，探索基本的量子光学，如纠缠光子对的有效产生和许多发射器的集体发射
特别地，因为随着时间的流逝，每个硅柱中Ez的空间分布在单极模式和偶极模式之间振荡，所以柱中的所有量子发射器将在单极半周期中经历相同的空间相位
这极大地缓解了光子腔中量子发射器精确定位的挑战，”刘岳洋补充道
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