奇异点超构表面：Loss也有春天- 大数跨境

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奇异点超构表面：Loss也有春天

两江科技评论

2020-12-23

导读：近日，新加坡国立大学和深圳大学团队合作提出在传统的相位梯度超表面基础上定量的引入损耗，制备出的无增益二维非厄米散射系统，可以打破无损情况下左右镜像对称通道的散射对称性，尤其在奇异点处，可以实现极度角不

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撰稿| 董少华

导读

在绝大多数光子学器件或系统中，损耗总是由于降低器件或系统的效率而尽量的被降低或消除。然而，对于一些非厄米体系，损耗却可以作为一个新的调控自由度被利用，使得系统可以实现传统光子学器件或系统难以实现的奇异效应。近日，新加坡国立大学和深圳大学团队合作提出在传统的相位梯度超表面基础上定量的引入损耗，制备出的无增益二维（2D）非厄米散射系统，可以打破无损情况下左右镜像对称通道的散射对称性，尤其在奇异点处，可以实现极度角不对称的回射散射压制（如图1）：当电场波从左边通道入射时，回射模被全部吸收；而从右边通道入射时，回射模保持高效反射。相关研究成果以“Loss-Assisted Metasurface at an Exceptional Point”为题发表于2020年12月7日的ACS Photonics（DOI：10.1021/acsphotonics.0c01440）杂志上，深圳大学和新加坡国立大学联合培养的博士后董少华为该文章的第一完成人，新加坡国立大学的仇成伟教授和深圳大学的李瑛教授为通讯作者，美国纽约城市大学的Andrea Alù教授团队、东南大学的蒋卫祥教授团队以及空军工程大学的王甲富教授团队为该工作提出了宝贵的意见和实验支持。

图一：非厄米相位梯度超表面示意图。在奇异点处，电磁波从左边通道入射，其回射模被全部压制；而从右边通道入射，仍高效率的回射。

研究背景

1998年，Bender 等人在量子体系引入了非厄米哈密顿量，并实现了非厄米体系下全实的本征值谱，尤其在系统Exceptional Point（EP）处的独特表现吸引了各个领域的广泛关注，之后类似的概念被广泛推广到光、声、电路，热等其他波动体系。在光子学领域，传统的非厄米体系主要是通过平衡损耗（loss）和增益（gain）部分来构建，如图二（a）左，然而在实验中增益的实现是具备挑战的，本文提出了由无损和有损区域构成的非厄米体系，如图二（a）右，这类体系本质上可以看成是将增益-损耗体系置放在一个损耗的背景下得到。对于已有的无增益非厄米体系，按照电磁波的传输通道来分，目前常见的主要是一维（1D）波导体系，这类系统缺乏更多的调控自由度，而超表面作为一个可人工自由设计的2D面系统，可以实现更多的散射调控，将其与非厄米物理结合，势必会碰撞出新的火花。

图二：（a）传统的非厄米体系，是通过平衡损耗和增益部分来构建（左），而我们提出的非厄米超表面系统是由损耗和无损区域构成（右），无损区域的真实人工原子是由反射式的工字环结构构成，损耗区域的人工原子是在无损的人工原子背板上开一个槽引入泄露损耗实现。（b）调控槽的宽度来调控人工原子的局域幅度（等效损耗）。（c）调控开口环的大小α来调控人工原子的局域相位。（d）（e）对应电磁波分别从左右通道入射情况下，基于等效煤质的非厄米超表面理论模型在EP处的散射场强分布。（f）对于非厄米超表面理论模型，不同散射模对损耗变化的影响。（g）在本征值表象，理论模型散射矩阵的本征值随着损耗变化的演化轨迹。

创新研究

在本工作中，我们以传统的相位梯度超表面为基本框架，通过设计将散射通道固定在镜像对称的两个方向（比如±45°），且将超原包固定为仅三个人工原子构成（局域相位对应为φ₀-120°，φ₀，φ₀+120°）。先基于等效煤质理论模型（1550nm），研究了超表面在有损和无损情况下的散射行为。在无损情况下，通过确定φ₀即可以反解出超表面所对应的等效介电参数分布，如图三（e）。我们先任意选取了三种不同的相位梯度超表面，发现电磁波从左右两通道入射的散射行为均满足镜像对称，如图三（a）和（b）。而当我们将损耗引入超原包的其中一个人工原子，左右两通道的散射行为立马变得并不对称，如图三（c）和（d）。在参数空间，我们遍历了所有的等效煤质超表面，计算了其散射行为受损耗变化的影响，如图三（f）和（g）。有趣的是，在φ₀=-180°这种情况附近，左右两边的散射行为出现了极端的不对称：左边通道的回射模随着损耗的增大逐渐被完全压制，而右边通道的回射模仍稳定在较高的效率。我们提取出这种极端情况对应的等效煤质模型，发现损耗达到某一值时，左边通道的回射模会被完全压制，如图二（f）。从散射矩阵的本征值表象来观察，我们很明显的发现了一个EP的存在，如图二（g）。在EP处，我们进一步通过FEM模拟验证了这种极端角不对称的回射压制，如图二（d）和（e）。

图三：在基于等效煤质的非厄米超表面理论模型上，验证超表面受损耗影响的角不对称的散射行为，工作波长为1550nm。（a）（b）电磁波分别从左右通道入射到无损超表面模型上的散射行为。（c）（d）电磁波分别从左右通道入射到非厄米超表面模型上的散射行为。（e）人工原子局域相位φ₀与其等效介电常数Re[μ₂]的对应关系。（f）（g）电磁波分别从左右通道入射到非厄米超表面模型上的回射系数与局域相位φ₀和引入损耗Im[μ₂]的对应关系。

作为对理论构想的验证，我们选择在11.8GHz频率处设计和制备了真实样品，并实验验证了EP处的角不对称散射行为，如图四。对于损耗，我们采用在人工原子的反射背板上刻一条槽来引入局域的泄露损耗，通过调控槽的宽度，我们可以等效的调控人工原子的局域损耗大小，如图二（b）。对于此真实结构体系，随着槽宽的变化，我们确实发现了EP的存在，除此之外，我们真实体系的镜像反射模（r_-1）天然的被压制，这得益于此人工原子的独特性质，如图四（c）。我们进一步测试了真实体系的近场（如图四d-g）和远场分布（如图四h，i），尤其是从远场分布，我们很明显的看到电磁波从左边通道入射几乎被完全压制，而从右边通道入射，仍保持很高的回射效率。这样角不对称的奇异散射效应，传统的超表面系统是难以实现的。

图四：在基于真实结构的非厄米超表面上，验证超表面受损耗影响的角不对称的散射行为，工作波长为11.8GHz。（a）非厄米超表面的局部样品照片。（b）非厄米超表面的超原包照片。（c）非厄米超表面散射模的强度R随槽宽度w（对应损耗）变化而变化的关系曲线。（d）（f）为基于FEM仿真验证，（e）（g）为基于实验验证，电场波分别从左右通道入射到非厄米EP超表面上的近场分布。（h）（i）电场波分别从左右通道入射到非厄米EP超表面上的远场分布。

总结

该工作将损耗作为一个新的调制自由度引入传统的相位梯度超表面，实现了一种新型的2D非厄米散射系统。通过平衡无损和有损耗区域，该系统可以获得一个EP解。在EP处，该非厄米超表面可以实现极度角不对称的散射压制，这一发现为不对称光学系统提供了新的设计思路，会进一步激励对更复杂EP或更高阶EP解的探索和实现。