随着下一代无线通信技术对紧凑、高效和高速系统的需求日益增长，太赫兹主动调制超表面得到了广泛的关注。然而，传统太赫兹主动超表面调制器件的设计主要依赖于宽频范围的耦合共振线型，使得单一频率下的高效调制变得困难，这一挑战亟需探索新的物理机制来提供解决方案。
研究团队人员首先基于Pancharatnam‑Berry（PB）相位幺正变换方法，揭示了手性自旋态之间的耦合变化与偏振调控之间的关系。如图1a所示，当±1手性自旋态之间存在相互耦合的情况时，|±45°>线偏振态（LP）会受到非对称调制，其中|-45°> LP受到完全调制，而|45°> LP则完全不受调制；随着手性自旋态之间的耦合变弱直至完全解耦时，|±45°>LP的传输情况逐渐变得一致。图1b-c展示了由耦合变化δ和耦合相差α所组成的参数空间中|±45°> LP对应的共偏振传输率的相图，在耦合相差完全消除时，对应于图中淡黄色虚线所标示的演化路径，此时|±45°> LP中的非对称调制最为高效。图1d为该条路径上提取的|±45°>LP对应的共偏振传输率随δ变化的情况，进一步阐明了当耦合相差消除时，|±45°>LP中的高效非对称调制。
图1. 通过手性自旋态的耦合变化实现高效LP调制的原理相图
接下来，基于以上PB相位幺正变换的相图，研究人员利用时域耦合模理论，在一个三模二端口的非厄米系统中构建了一对反手性EP点，以操控不同手性自旋本征态，该理论模型示意图如图2a所示。图2b展示了从该非厄米系统中提取的δ和α值，随着非辐射损耗速率
的增加，±1自旋本征态耦合相差维持在完全消除的状态而解耦程度不断加深，对照图1b-c的参数空间可知，在该非厄米系统中成功构建了理想的高效演化路径，图2c展示了|±45°>LP对应的共偏振传输率随
变化的情况，与图1d中理想路径的结果一致。图2d-h提取了几个典型的
值处的手性传输参数以及本征值谱线，反映了系统的反手性EP点的合并及其对于±1自旋本征态的解耦行为。图2i展示了在完全解耦状态下系统本征态在庞加莱球上的分布情况，在工作频点附近，本征态同时到达庞加莱球的南极和北极，进一步阐明了这对反手性EP点在单频点处的合并行为。此外，值得注意的是，该演化路径仅需调节
值即可实现完全遍历，这为下一步超构器件的制备以及超快开关调制的实现提供了可行方案。
图2. 基于耦合模理论的非厄米效应相图：构建一对损耗诱导的反手性EP点实现±1自旋本征态的耦合和解耦合
基于上述理论模型，研究人员在实验上制备了由主动可调半导体材料锗（Ge）复合而成的非厄米超表面并对其进行了实验表征及仿真验证，其示意图及相关参数如图3a-c所示。Ge膜被镶嵌在y方向谐振环中，通过光子诱导的微扰以实现对其非辐射损耗速率的调节。图3d-e展示了实验中不同泵浦光功率下得到的|±45°>LP对应的共偏振传输谱线，图3f-g展示了仿真中扫描Ge电导率得到的|±45°>LP对应的共偏振传输谱线。理论、仿真及实验的结果非常吻合。
图3. 基于理论模型构建的非厄米超表面及|±45°>LP对应的共偏振传输谱线的实验表征及仿真验证
最后，研究人员利用光泵浦太赫兹时域探测系统，表征了该超构器件的超快动力学。如图4a-b所示，该超构器件在|-45°> LP中提供了高对比度的二进制开关调制，而对|45°> LP几乎不产生调制。图4c-d展示了单工作频点处的光谱，其中|-45°> LP对应的共偏振显示出高效调制，最大调制深度达到70%，单个开关周期的时间小于9ps；而|45°> LP则几乎不受调制。
图4. 太赫兹非厄米超表面的高效开关调制及超快动力学的实验表征
综上所述，该工作从理论和实验上完整地揭示了EP点及其手性在偏振调控方面的潜力，建立了手性自旋态与偏振调控之间的联系，在太赫兹非厄米超表面中设计了一对具有损耗诱导合并行为的反手性EP点，实现了单频且高效的太赫兹超快开关响应。该理论框架以及损耗诱导的非厄米器件具有广泛的适用性，其应用范围可覆盖从微波到太赫兹、红外乃至可见光波段等多种光学系统，为新一代功能器件的研究提供了新的理论思路和实验方案。
国防科技大学的喻钟意硕士研究生为文章的第一作者，国防科技大学的胡瑜泽副研究员和江天研究员为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金委、国家重点研发计划、国防科技大学青年创新人才孵化基金等项目的支持。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202402615
