Sharp electromagnetic resonances play an essential role in physics in general and optics in particular. The last decades have witnessed the successful developments of high-quality (Q) resonances in microcavities operating below the light line, which however is fundamentally challenging to access from free space. Alternatively, metasurface-based bound states in the continuum (BICs) offer a complementary solution of creating high-Q resonances in devices operating above the light line, yet the experimentally demonstrated Q factors under normal excitations are still limited. Here, we present the realizations of quasi-BIC under normal excitation with a record Q factor up to 18 511 by engineering the symmetry properties and the number of the unit cells in all-dielectric metasurface platforms. The high-Q quasi-BICs exhibit exceptionally high conversion efficiency for the third harmonic generation and even enable the second harmonic generation in Si metasurfaces. Such ultrasharp resonances achieved in this work may immediately boost the performances of BICs in a plethora of fundamental research and device applications, e.g., cavity QED, biosensing, nanolasing, and quantum light generations.

We propose a potentially practical scheme to precisely measure the charge number of small charged objects by using optomechanically induced transparency (OMIT) in optomechanical systems. In contrast to conventional measurements based on noise backaction on optomechanical systems, our scheme presents an alternative way to detect the charge number exactly, by monitoring small deformation of the mechanical resonator sensitive to the charge number of nearby charged object. The relationship between the charge number and the OMIT window width is investigated and the feasibility of the scheme is justified by numerical simulation with currently available experimental values.

Toroidal multipole moments are usually underestimated as they are quite weak in most cases of light-matter interaction. Herein, we reveal a strong link between the toroidal dipole resonance and the bound state in the continuum in the context of all-dielectric metasurfaces. We introduce the concept of toroidal dipole bound states in the continuum, in which two eigenmodes of the silicon metasurface exhibit an intrinsic toroidal dipolar character and have an infinite lifetime. They can be classified as transverse (trivial) and longitudinal (nontrivial) toroidal dipole modes, which correspond to symmetry unprotected and protected bound states in the continuum, respectively. We demonstrate that such toroidal bound states in the continuum supported by the symmetry metasurface can be turned into ultrahigh-$Q$ resonances with a dominant toroidal dipole excitation, which validates their physical origin associated with the ultrahigh-$Q$ toroidal dipole leaky resonances. A full multipole decomposition with dispersive, lossy, and substrate effects further validates that the proposed concept is general and can also be generalized to other structures.

We describe theoretically and observe experimentally the formation of a surface state in a semi-infnite waveguide array with side-coupled waveguide, designed to simultaneously achieve Fano and Fabry-Perot resonances. We demonstrate that the surface mode is compact, with all energy concentrated in few waveguides at the edge and no field penetration beyond the side-coupled waveguide position. Furthermore, we show that by broadening the spectral band in the rest of the waveguide array it is possible to suppress exponentially localized modes, whereas the Fano state having the eigenvalue embedded in the continuum is preserved.

Metasurfaces have attracted a lot of attention in recent years due to novel ways they provide for the efficient wavefront control and engineering of the resonant transmission. We discuss an approach allowing effectively control appearance of the sharp Fano resonances in metasurfaces associated with the {\it bound states in the continuum}. We demonstrate that by breaking the symmetry transversely, in the direction perpendicular to a metasurface with a complex unit cell, we can control the number, frequency, and type of high-$Q$ resonances originating from bound states in the continuum. As example, we demonstrate experimentally the metasurfaces with magnetic dipole and toroidal dipole responses governed by the physics of multipolar bound states.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is the primary risk factor in food safety. Herein, a nanogap-assisted surface-enhanced Raman scattering/polymerase chain reaction (SERS/PCR) biosensor coupled with a machine-learning tool was developed for the direct and specific sensing of S. aureus in milk. The specific nuc gene (nuc T) from S. aureus was initially amplified through PCR and subsequently captured via the nanogap effect of I– and Mg2+-mediated bimetallic gold and silver nanoflowers (Au/Ag FL@I–-Mg2+). These nanogaps generate hotspots for the direct signal amplification of enclosed nuc T. Subsequently, machine-learning tools were used to comparatively analyze the collected SERS signals. The bootstrapping soft shrinkage-partial least-squares method exhibited superior performance (root mean-square error of prediction: 0.437, prediction set correlation coefficient: 0.967). This study demonstrated a novel label-free strategy for specifically detecting S. aureus. The strategy could be advanced to serve as a platform for application to other types of foodborne pathogenic bacteria by engineering a suitable specific primer.

Abstract Streptococcus gallolyticus subspecies gallolyticus ( Sgg ) is known to be strongly associated with colorectal cancer (CRC). Recent functional studies further demonstrated that Sgg actively stimulates CRC cell proliferation and promotes the development of colon tumors. However, the Sgg factors important for the pro-proliferative and pro-tumor activities of Sgg remain unclear. Here, we identified a chromosomal locus in Sgg strain TX20005. Deletion of this locus significantly reduced Sgg adherence to CRC cells and abrogated the ability of Sgg to stimulate CRC cell proliferation. Thus, we designate this locus as the S gg p athogenicity- a ssociated r egion ( SPAR ). More importantly, we found that SPAR is important for Sgg pathogenicity in vivo . In a gut colonization model, mice exposed to the SPAR deletion mutant showed significantly reduced Sgg load in the colonic tissues and fecal materials, suggesting that SPAR contributes to the colonization capacity of Sgg . In a mouse model of CRC, deletion of SPAR abolished the ability of Sgg to promote the development of colon tumors growth. Taken together, these results highlight SPAR as a critical pathogenicity determinant of Sgg .

Multiplexing information in light’s fundamental attributes to create supplementary orthogonal data channels has been well heralded as an effective means for optical data storage with greatly enhanced capacities. However, robust decoding methods against inevitable crosstalks associated with experimental noise and writing imperfections as the increase of multiplexing dimensions represent a major hurdle preventing the effective practice of multi-dimensional optical recording. Here, we propose a deep-learning-based retrieval approach for robust decoding multiplexed information. An artificial neural network is trained to learn the crosstalks from multiplexed recording in disordered gold nanorod aggregates with loosened orthogonality constraints. The acquired raw readout images are analyzed by the trained neural network, which allows quick, high-fidelity, and reliable information retrieval from polarization-, wavelength-, and 3D spatially multiplexed data. The smart decoding protocol paves the way toward the mass-production ready and wide-spread application of high-capacity multi-dimensional optical storage.