PRL | 非厄米太赫兹超表面中无需环绕奇异点的自旋选择性拓扑效应

近日，国防科技大学江天研究员团队在Physical Review Letters上发表了题为“Spin-selective topological effects without encircling exceptional points”的研究论文，该工作打破了以往基于奇异点（Exceptional point, EP）的拓扑相位调控需要环绕EP的传统范式，首次在太赫兹超表面中通过调控单一几何参数，实现了无需环绕EP的开放路径全2π光学相位控制。研究团队揭示了复频域中具有相反拓扑荷的EP对与零极点演化的内在机制，并基于此原理设计了自旋选择性的太赫兹波束偏转器。该工作为非厄米拓扑光子学开辟了新的研究范式，在波前控制、偏振复用和光学信息加密等领域具有重要应用前景。国防科技大学万顺博士生、胡瑜泽副研究员、日本理化学研究所黄然博士为论文共同第一作者。国防科技大学胡瑜泽副研究员、景辉教授、江天研究员为论文共同通讯作者。该工作还得到了日本理化学研究所Franco Nori教授、湖南师范大学杨辉副教授、湖南第一师范学院左云兰博士等合作者的大力支持。

值得一提的是，团队长期致力于非厄米光子学与拓扑物态调控的前沿探索，充分利用损耗和磁场等手段对太赫兹和微波开展了多维调控工作：

2023年，团队引入瞬态损耗机制，在皮秒时间尺度上成功诱导了非厄米相变与奇异点的产生，打破了静态调控的限制，为设计高速太赫兹调制器和超快偏振开关提供了物理基础【Advanced Science 10, 2304972(2023)】；

2024年，进一步提出了反手性奇异点对的概念，揭示了利用EP融合实现高效太赫兹开关的新机制【Advanced Science, 11(28): 2402615(2024)】；

2024年，在多维功能器件方面，团队开发了基于波长复用的颜色编码编程超器件，通过独立控制损耗通道实现了无串扰的波前编程【Light Sci. Appl. 13, 65 (2024)】；

2024年，在拓扑物态机制方面，团队利用旋磁光子晶体，率先观测到了二维时间反演对称性破缺下的非阿贝尔拓扑态，并揭示了其与多带反手性边缘态的深刻联系【Nature Communications 15.1: 10036 (2024)】；

2025年，首次提出了利用高维度奇异线实现低维度奇异点主动调控的理论，在太赫兹超表面实现了圆偏振本征态的手性反转，并展示了超快的手性调控能力【Physical Review Letters 134, 106901 (2025)】。

非厄米物理中的奇异点是本征值和本征态同时合并的特殊简并点，展现出许多迥异于厄米系统的奇异性质，如高灵敏度传感、单向隐身和手性模式转换等。在波前调控领域，超表面中的手性EP是通过调整模式的损耗与耦合等实现的本征态简并为圆偏振态的效应，常被用于实现手性相位积累。

然而，传统的EP相位调控策略通常基于环绕EP的演化。这种方法要求在参数空间中构建闭合回路，通常需要精细调节系统的多个参数（如谐振频率、损耗或耦合强度），这在实验操作上具有较高的复杂度。研究表明，若不环绕EP，仅在EP附近的开放路径上演化，通常只能获得最大约π的相位调制。因此，能否在开放路径，仅通过单一参数调控实现全2π相位积累，是非厄米拓扑光子学领域一个亟待解决的问题。

图1 无需环绕EPs的2π相位积累

研究亮点

为了解决上述挑战，研究团队设计了一种由金属短线和开口谐振环（SRR）组成的太赫兹超表面结构。在该结构中，SRR的开口角度θ被选为唯一的调控变量，通过改变θ可以调节SRR在x和y方向上的谐振分量，从而改变模式间的耦合系数。

研究团队首先建立了基于时域耦合模理论的解析模型，并将系统透射系数解析延拓至复频域。理论分析表明，随着角度θ的变化，EP不会突然消失，而是在复频率空间中连续移动，形成奇异线。此外，在复频率空间中，EP成对存在，分别为由于系统简并为左旋圆偏振态形成的EP_L，以及系统简并为右旋圆偏振态形成的EP_R，他们分别对应于圆偏振转换系数t_L→R与t_R→L的零点。随着θ的改变，EP_R与实频率平面产生两个交点，而EP_L始终处于实频率平面下方。

图2 EP在复频率空间中的拓扑演化

实验方面，团队利用光刻工艺制备了梯度变化的超表面样品，并采用太赫兹时域光谱系统在实频率激发下进行了测试。实验结果清晰地观测到了两个EP的存在。重要的是，这对EP具有相反的拓扑荷，这是因为EP的拓扑荷在特定的平面取决于其如何穿越该平面。在开放参数路径（即单调改变SRR角度θ）下，观测到了特定圆偏振转换的透射相位经历了完整的2π覆盖，而另一个圆偏振转换系数则没有这种效应。

图3 不环绕EP的自旋选择性相位累积

此外，为了展示该效应的应用潜力，研究团队进一步设计了基于该原理的相位梯度超表面。通过在空间上排列不同旋转角度的单元结构，构建了一个自旋选择性的波束偏转器。实验结果表明，该器件能够将右旋圆偏振光偏转到预定角度，表现出明显的非对称传输特性，实现了自旋选择的波前控制。

图4 不环绕EP的自旋选择性光束偏转器

总结与展望

这项研究在太赫兹超表面中，通过创新的单参数调控方案，成功实现了无需绕圈的自旋选择性2π拓扑相位控制。研究团队从复频域的视角深刻揭示了EP的拓扑物理图像，不仅在理论上拓展了非厄米拓扑光子学的研究边界，也为实验上简化拓扑器件的设计提供了全新思路。该成果有望在下一代太赫兹通信、光学信息加密、偏振复用及全息成像等技术领域发挥重要作用，同时也为探索复频域中的耦合现象（如BIC、Fano共振等）提供了通用平台。

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