近日，新加坡南洋理工大学苏锐教授团队首次实现了由扭转自由度诱导的非厄米拓扑激子极化激元。研究团队在液晶填充的钙钛矿微腔中通过引入几何扭转，成功构建出可调的非厄米拓扑能带结构，并在实验中观测到非互易输运与非厄米趋肤效应。相关成果以“Twist-induced non-Hermitian topology of exciton-polaritons”为题发表于Nature Physics上。新加坡南洋理工大学博士后梁洁、博士生郑豪和金峰为共同第一作者，苏锐教授为论文的通讯作者。此外合作者南洋理工大学Timothy C. H. Liew教授、张柏乐教授，澳大利亚国立大学Eliezer Estrecho、Elena A. Ostrovskaya教授的团队也为本工作做出了重要贡献。
近年来，非厄米（Non-Hermitian）物理凭借其独特的增益与损耗机制，正在拓展拓扑物理学的边界。与传统厄米体系不同，非厄米系统能够展现出能谱缠绕（spectral winding）等全新特征，并孕育出诸如非厄米奇异点（Exceptional Points, EPs）和非厄米趋肤效应（Non-Hermitian Skin Effect, NHSE）等奇异现象。这些新颖的物理现象为探索可调谐的拓扑光子学与片上集成光学器件开辟了全新的方向。
激子极化激元（exciton polaritons）是光与物质强耦合形成的准粒子，既具备光子的高速传播特性，又保留了激子的强非线性相互作用。过去几年中，它们被广泛用于探索玻色–爱因斯坦凝聚、超流体性以及拓扑绝缘体等现象，同时也展现出在低阈值拓扑激光器和全光逻辑器件中的巨大潜力。更为独特的是，极化激元体系本身具有内禀的非厄米特性，外部光泵浦引入的增益与体系自身的辐射损耗共同塑造了其非厄米的能谱特征。尽管已有研究成功在极化激元体系中观测到非厄米奇异点，但要实现非厄米拓扑能带结构以及趋肤效应，仍是该领域尚待攻克的重要挑战。
南洋理工大学苏锐教授团队在室温下首次实现了由扭转角诱导的非厄米拓扑激子极化激元。研究人员在钙钛矿（CsPbBr₃）微腔中填充液晶层，并将两者之间的几何扭转角作为一个全新的调控自由度，构建出一个可调控的非厄米拓扑平台。在这一平台中，液晶的双折射性质与钙钛矿的各向异性协同作用，共同调控激子极化激元的行为。当两层材料存在扭转时，体系中会产生有效的圆二色性（circular dichroism, CD）：液晶层将光的圆偏振分量转化为线偏振，而钙钛矿层则对特定线偏振态表现出选择性吸收。这一联合作用使得不同圆偏振的激子极化激元在增益/损耗特性上退简并，从而驱动能带在复能量平面出现谱缠绕等非厄米拓扑特征。基于这一机制，研究团队得以首次在实验中直接观测到由扭转角诱导的非厄米趋肤效应，为构建可调控的非厄米拓扑光子平台开辟了新的途径。
图1∣液晶-钙钛矿微腔中非厄米平庸态激子极化激元的理论能谱模型
图2∣微腔中实验观测到的非厄米平庸态激子极化激元的对称能带结构
在晶轴严格对齐的液晶–钙钛矿微腔中，激子极化激元在光学Rashba–Dresselhaus自旋轨道耦合作用下，会形成一对在动量空间中相反圆偏振劈裂的能带结构。该结构展现出典型的非厄米平庸态特征：其色散在模式能量（实部）和线宽（虚部）上均保持对称，使复能量平面中的谱轨迹不形成包围面积，因此不具备非厄米复能谱缠绕拓扑。
图3∣扭转结构中的圆二色性
为打破自旋极化激元在增益/耗散行为的固有简并性，研究团队在钙钛矿与液晶层之间引入几何扭转角，实现了体系中可调的圆二色性。这种扭转结构将液晶层对圆偏光的相位调制与钙钛矿层的线二色性相结合，从而赋予体系对左右旋圆偏振光不同的吸收强度，即表现出显著的圆二色性响应。实验结果显示，当液晶层相对钙钛矿层扭转+30°时，右旋圆偏振光吸收更强，圆二色性在激子共振能量附近达到 −1000 mdeg，并在一定电压范围内保持稳定。反向扭转(−30°)则产生相反的手性响应，而无扭转时不出现明显的圆二色性。这说明扭转角度可作为可调自由度，用于精准控制体系的手性增益和非厄米特性。
图4∣扭转诱导的微腔中非厄米拓扑极化激元能带
研究团队在液晶–钙钛矿微腔中引入扭转结构，使具有不同圆偏振的激子极化激元获得差异化的净增益。当扭转角为+30°时，右旋圆偏振态（σ⁺）具有更高的增益，表现为能带中更窄的线宽和更强的光致发光强度。基于这种自旋态净增益的退简并，理论计算显示，体系的复能谱在能量–线宽平面形成一对方向相反的局部回路，呈现出典型的能谱缠绕特征，预示体系具有非厄米拓扑性质。实验观测与理论结果高度一致：σ⁺与σ⁻模式在能量上保持对称但在线宽上显著不对称。当扭转角由+30°调为−30°时，体系的手性响应与谱缠绕方向同步反转，证明扭转角可作为有效自由度，实现对非厄米拓扑性质的可控调节。
图5∣激子极化激元非厄米趋肤效应的观测
在此基础上，研究团队进一步展示了非厄米拓扑体系中的拓扑边界态的产生。他们构建了沿动量空间ky方向具有非厄米拓扑能带的激子极化激元体系，使极化激元在实空间中呈现明显的非互易传播：沿 +y 与 −y 方向的跃迁幅度不同，导致大部分本征态向体系边界的一侧聚集，即非厄米趋肤效应。实验中，在长度约40 µm的一维钙钛矿微线腔中观察到：当扭转角为+30°时，极化激元在+y边界处明显聚集，发光强度约为另一侧的2.7倍；而当扭转角改为−30°时，聚集方向随之反转。扭转角带来的圆二色性因此成为调控非互易输运和拓扑非平庸态的重要自由度。
研究团队在液晶填充的钙钛矿微腔中引入扭转自由度，在室温下首次实现了非厄米拓扑的激子极化激元，并观测到非互易输运和非厄米趋肤效应。这一发现突破了以往仅停留在理论层面的预测，首次在实验中实现了大量极化激元沿边界聚集，展现出独特的单向传输特性。该研究仅通过几何扭转即可在片上实现稳定可调的单向极化激元流，实现了一种全新的非厄米拓扑非平凡的强光-物质耦合的实验平台。这一成果不仅推动了拓扑极化激元研究从厄米体系迈向非厄米体系，也为无磁场非互易光学与量子器件的发展提供了新思路。未来，这一机制有望应用于单向发射器、自旋极化激元激光器和超快光逻辑芯片等前沿器件，为非厄米光子学开辟新的研究方向。
文章链接
Twist-induced non-Hermitian topology of exciton-polaritons
https://www.nature.com/articles/s41567-025-03115-0
撰稿|课题组
