传统厄米Hermitian系统受能量守恒约束，本征值与本征态相互正交，难以实现方向依赖传播与超灵敏响应。奇异点exceptional points (EPs)作为非厄米non Hermitian系统的奇异简并点，本征值与本征态同时合并，形成Jordan块结构，带来平方根型增强灵敏度与自正交态等独特性质。然而，精确调控增益、损耗与耦合参数长期制约实验实现。
工程材料（如光子晶体、超表面、等离子体结构）凭借亚波长设计、可调谐元件与辐射损耗调控，为构建稳定奇异点提供了理想平台，标志着非厄米物理从理论走向器件工程的关键转折。
近日，新加坡国立大学Haoye Qin，仇成伟院士Cheng-Wei Qiu团队联合清华大学Wenjing Lv，宋清华Qinghua Song，周济院士Ji Zhou团队在Nature Reviews Materials上发表综述文章，聚焦三大核心领域：一是光子晶体中的能带奇异点，辐射损耗将厄米Dirac/Weyl点转化为异常环与体费米弧，实现平带高态密度与单模激光；二是超表面的散射奇异点，通过散射矩阵工程。实现宏观单向无反射传播与高效率不对称反射；三是Jones奇异点，利用手性简并，在等离子体/各向异性材料中，达成不对称偏振转换与全息复用。
新兴应用部分系统论述动态控制：石墨烯、MEMS与相变材料，实现电压/光诱导的实时奇异点EP转变与手性开关；非厄米编织在合成维度中，可视化拓扑结与链；拓扑性质通过参数空间环绕产生2π相积累与半整数偏振电荷，支撑鲁棒波前整形；特殊奇异点EP则与连续统束缚态、Dirac点结合，形成兼具不辐射与超灵敏的新奇点，并延伸至磁控非互易、奇异点EP激光与光存储。
第一作者：Haoye Qin, Wenjing Lv.
通讯作者：Romain Fleury, Patrice Genevet, Qinghua Song & Cheng-Wei Qiu
通讯单位：新加坡国立大学，清华大学
Photonic exceptional points in engineered materials and their emerging applications.
工程材料中的光子奇异点及其新兴应用
图1：工程材料中的光子奇异点及其新兴应用。
非厄米光子学源于不同材料平台如何提供并平衡这些关键参数。半导体和量子阱，提供了光学增益以放大模式，而等离激元和金属结构，则提供可控的吸收损耗。低损耗介质材料（如硅或二氧化钛），为高效的模式耦合创造了以辐射为主导的环境，而磁性材料和发光材料，则引入了非互易性和奇异点辅助的激光发射。同时包括石墨烯、相变材料和微机电系统架构在内的自适应介质，动态调控复折射率和耦合，从而将静态谐振转变为可重构的奇异点平台。这些工程化材料，通过提供可控的途径来引入、调控和平衡增益、损耗、耦合及其他自由度，非厄米光子学塑造了光学奇异点和拓扑光子学行为。
图2：能带奇异点。
图3：散射奇异点。
图4：Jones奇异点。
图5：奇异点的动态控制与编织。
图6：奇异点的拓扑性质与波前工程
图7：特殊奇异点与新前沿。
基于超材料的奇异点，将利用新兴的相变材料（例如VO₂、GeSbTe、钙钛矿）以及磁光材料（包括钇铁石榴石和镍合金），以在光学波长范围内，实现具有非平凡拓扑性质的动态控制和手性切换。时间超材料进一步实现自适应可调性，并促进更高维度非厄米光与物质相互作用。通过利用热超材料中的奇异点，实现可控且局域化的热发射，热调控和能量收集而言，这是极具前景的发展方向。
基于人工智能驱动的、面向奇异点的超材料设计，以及奇异点辅助的机器学习，有助于智能光子学系统和平面光学平台。非厄米物理与材料科学融合，将重新定义光学系统的构想、设计与实现方式。随着纳米制造、材料合成和计算设计的不断进步，奇异点在超表面、光子晶体以及其他可工程化材料（包括等离激元、介质、可调谐和相变平台）中，演变为可设计的物质状态，可精准地调控色散、对称性和损耗。这些材料不仅将实现可重构且受拓扑保护的功能，将为光学、声学和量子领域的非厄米工程学提供了通用实验平台。
文献链接
Qin, H., Lv, W., Zhang, Z. et al. Photonic exceptional points in engineered materials and their emerging applications. Nat Rev Mater (2026). https://doi.org/10.1038/s41578-026-00896-5
