超材料耦合是实现结构间能量传递的基础效应，能够产生电磁感应透明、连续域束缚态等新颖现象，在太赫兹超灵敏生物检测等领域具有重要应用价值。然而，超材料为什么会发生耦合，耦合产生最根本的原理是什么，这一基本问题背后的物理根源尚未被充分阐明。针对这一问题，桂林电子科技大学与浙江大学的黄巍等人将耦合模理论与系统实验相结合，揭示了耦合超材料的最小能量原理。
最小能量原理是自然界最基本、最普适的物理定律——物理系统的状态总是趋向于能量最小的状态。本文从这一视角出发，提出当超材料中的两个结构相互耦合时，耦合后超材料的总能量应小于未耦合时的总能量。由于超材料的能量与谐振频率密切相关：能量状态越高，谐振频率越高。团队通过测量透射谱中的谐振频率偏移来观察系统总能量的变化，利用谐振频率红移验证能量降低。基于耦合模理论，团队推导了耦合结构的总能量表达式，从理论上证明了耦合降低系统总能量。结果表明，当耦合强度g > 0时，耦合系统的总能量总是小于无耦合系统的总能量，这从理论上解释了耦合为什么会自发发生。仿真和实验也一致表明：随着耦合增强，谐振频率向低频方向移动（红移），这直接证实了系统总能量的降低。由于最小能量原理的普适性，所有的超表面耦合的本征峰平移现象都可以用本篇论文进行解释。
图1 通过全波仿真获得耦合结构的透射谱。为获得普适性结论，展示了四种耦合配置：(a) 两个等长切割线(CWs)耦合；(b) 两个等长开口谐振环(SRRs)耦合；(c) 两个不同长度CWs耦合；(d) CW与SRR耦合。黑线为基于惠更斯原理计算的无耦合透射谱。红、蓝、绿线对应结构间距从小到大、耦合强度依次减弱的情形。
图2 验证我们想法的实验结果。黑色虚线为仿真结果，红色实线为实验结果。
实验结果显示，随着结构间距离减小（耦合增强），谐振频率从高频向低频移动，频率偏移量约为0.02-0.025 THz，在太赫兹光谱分辨率范围内可清晰分辨。需要注意的是，实验中未能观察到准连续域束缚态峰，这是由于1000 μm厚的衬底会产生回波干扰，限制了时间域信号的采集长度，但这并不影响对谐振频率的观测。
团队介绍
作者团队是在桂林电子科技大学光电工程学院太赫兹与微纳检测研究中心，长期从事太赫兹超材料与光电器件方面的研究。
通讯作者黄巍博士为桂林电子科技大学光电工程学院副研究员，入选广西八桂青年拔尖人才、广西海外高层次人才“百人计划”，主要研究方向为太赫兹超材料、耦合模理论、量子光学等研究。共同通讯作者银珊博士为桂林电子科技大学光电工程学院教授，入选广西八桂青年拔尖人才。张文涛博士为桂林电子科技大学光电工程学院教授，入选八桂学者、广西特聘专家。通讯作者已第一作者身份或通讯作者身份在IEEE TMTT、IEEE TAP、Carbon、JLT、Nanophotonics、IEEE JSTQE、PRB、PRA、APL、IEEE TBE、NJP、EPJ QT、OLT、OE等期刊发表论文多篇。
