近日，天津大学吴亮/姚建铨团队联合中科院空天院、南方科技大学在国际顶级期刊《国家科学评论》 National Science Review）发文，提出S4点群对称的双层太赫兹超表面新架构，实现对结构缺陷、制造误差具备卓越鲁棒性的对称保护准连续域束缚态（QBIC）。该成果突破传统QBIC对结构扰动高度敏感的瓶颈，为高性能太赫兹光子器件的规模化制造提供实用化新范式。
研究背景
连续域束缚态（BIC）是存在于辐射连续谱内却被完全束缚的共振模式，辐射损耗趋近于零、品质因子 Q 值理论上趋于无穷，在激光、滤波、传感等领域应用潜力巨大。其中对称保护型 BIC（SP-BIC）可通过对称破缺灵活调控 Q 值，是超表面领域的研究热点。但当前主流的面内 C₂对称单层超表面，Q 值对微小制备缺陷十分敏感，轻微扰动就会造成 Q 值大幅衰减，器件加工门槛高、应用受限；同时，C₂以外高阶对称体系的物理机制研究尚不充分。如何兼顾高 Q 共振与加工容错能力，成为亟待解决的关键难题。
研究成果
针对上述痛点，吴老师基于多年《固体物理》教学经验与对称理论基础，提出 S₄点群对称双层超表面设计策略：由两层相同的单层超表面沿 z 轴旋转 90° 并破坏反演对称组合而成。邹蝶同学通过仿真和实验发现，当上层两个椭圆柱平行时满足 S₄对称，形成两个 SP-BIC，并在引入角度扰动打破对称后转化为 QBIC，透射谱出现尖锐的 Fano 共振谷。
研究团队进一步通过群论选择定则和散射矩阵/有效哈密顿量分析，阐明S4与C2子群在BIC形成中的物理分工。将层间横向错位作为可量化的对称破缺参量，经数值仿真与实物实验双重验证，该架构在加工错位、结构扰动下仍能维持稳定共振性能。
图1. S4点群对称双层太赫兹超表面
图2 QBIC模式在位移扰动下的鲁棒性实验演示
论文DOI: https://doi.org/10.1093
