华中师范大学物理科学与技术学院林海教授联合南昌大学信息工程学院肖书源副研究员与空间科学技术研究院沈云、唐荣欣教授，在太赫兹传感领域取得重要突破。合作团队提出了一种基于偏振调控的非厄米超表面太赫兹传感方法，在保持非厄米传感器高灵敏度的同时显著提升了测量稳健性，为非厄米传感应用提出了一种新的解决思路。相关成果以“Polarization-Controlled Non-Hermitian Metasurfaces for Ultra-sensitive Terahertz Sensing”为题，近日发表于国际权威期刊Laser & Photonics Reviews。
近年来，非厄米物理在声学、光学及电磁学等领域引起广泛关注。非厄米系统展现的奇异物理现象（如Exceptional Points，EPs）催生了诸多创新应用。基于非厄米系统EPs附近本征值的非线性分裂特性，研究人员开发出对微扰高度敏感的非厄米传感器，使其在传感领域备受瞩目。然而，现有非厄米传感器的设计策略仍然面临关键矛盾：EPs附近本征值分裂既受分析物微扰影响，又易受制造误差与系统噪声干扰，导致本征值分裂强度难以作为衡量传感器整体性能的可靠指标。
目前，虽然已有研究通过有源方法提升非厄米系统的抗噪声能力，但在太赫兹波段的局限仍未突破。考虑到太赫兹波与超表面结合在生物传感中的独特优势（如指纹光谱特性与强场局域效应），提升太赫兹波段非厄米传感的抗噪性能具有重要的科学意义和应用潜力。
合作团队通过引入偏振自由度，将线偏振光与结构共振模式失配引起的耦合效率变化纳入模型，构建等效哈密顿量。通过分析该哈密顿量的本征值，建立了入射光偏振角与耦合系统传输相位的关系，并在偏振参数空间中观察到两个本征模式分别呈现相位奇异性和常规相位响应，如图1所示。在此基础上定义了临界偏振角（Critical Polarization Angle, CPA）。通过解析微扰下系统本征值的变化，建立CPA与微扰的定量关系，最终将CPA作为传感的核心指标。
图1. 等效哈密顿量的复数本征值（a）与对应的幅值相位（b，c）。
随后，合作团队利用经典的SRR-CW超表面结构来验证上述传感方法。采用时域有限积分方法构建数值模型，系统的两种偏振态传输相位谱如图2（a，b）所示，其中一者呈现传输奇异性，另一者表现为平庸相位响应，CPA位于40°至45°区间内。改变分析物的折射率与涂覆层的厚度，CPA均呈现显著偏移，如图2（c - f）所示。
图2 仿真结果。 (a)水平偏振传输相位，（b）垂直偏振传输相位，（c）传输相位奇点建立的折射率与临界偏振角的关系，（d）图（c）不同折射率抽样的群时延曲线。（e，f）传输相位奇点建立的厚度与临界偏振角的关系。
进一步搭建太赫兹时域光谱平台验证传感性能，在超表面上涂覆不同浓度的黄曲霉素B1后，测量其传输光谱并转化为群时延信号，结果如图3（c）所示，基于偏振角与系统微扰的关系求解CPA，结果如表1所示，在浓度仅为0.001μg/mL的扰动下，CPA转动了3.41°，呈现出超高的传感灵敏度。
图3 实验结果。（a）超表面实物，（b）加载不同浓度分析物的显微图像，（c）测试结果，（d - e）使用临界偏振角与系统微扰的关系求解完整曲线。
本研究提出了一种偏振调控的非厄米超表面太赫兹传感方法，通过引入偏振控制损耗的机制，建立了入射光偏振角与系统传输相位奇点的直接关联。通过解析微扰下本征值演变规律，构建CPA与微扰的定量映射关系，以CPA作为传感判据，有效规避奇点附近测量时的噪声干扰，显著提升传感稳健性。未来工作可通过集成先进超表面设计、材料非线性效应及高阶耦合机制，进一步优化性能。该方法有望拓展太赫兹超表面传感器的应用场景，为高稳定性生化检测提供新范式。
华中师范大学物理科学与技术学院博士生石欣桐是该论文的第一作者；华中师范大学物理科学与技术学院林海教授、南昌大学物理与材料学院，空间科学与技术研究院沈云教授，南昌大学信息工程学院肖书源副研究员（华中师范大学物理学基地班2012届毕业生）是论文的共同通信作者；南昌大学特聘研究员刘婷婷（华中师范大学通信工程专业2012届毕业生）、唐荣欣教授，南昌大学空间科学与技术研究院博士生张俊逸、段守鑫、赵晨晖、李乐、电子科技大学电子科学与工程学院博士生武琰杰亦对该工作作出重要贡献。
该工作得到湖北省重点研发项目、中央高校基本科研业务经费、国家自然科学基金、江西省自然科学基金、江西省科协青年科技人才托举项目的资助。
文章信息：
Xintong Shi, Hai Lin*, Tingting Liu, Yun Shen*, Rongxin Tang, Le Li, Junyi Zhang, Yanjie Wu, Shouxin Duan, Chenhui Zhao, Shuyuan Xiao*, Polarization-Controlled Non-Hermitian Metasurfaces for Ultra-Sensitive Terahertz Sensing. Laser Photonics Rev. 2025, 2500172.
原文链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202500172
