近日，国防科技大学江天研究员团队在Physical Review Letters上发表了题为“Loss-Enabled Chirality Inversion in Terahertz Metasurfaces”的研究论文，首次提出了利用高维度奇异线（Exceptional line, EL）实现低纬度奇异点（Exceptional point, EP）主动调控的理论，在太赫兹超表面实现了圆偏振本征态的手性反转，并展示了超快的手性调控能力。该工作为非厄米物理、超表面技术和太赫兹器件的研究提供了新的思路和方法，被选为Editors’ Suggestions 和封面文章，并被报道为Synopsis in Physics Magazine。国防科技大学博士研究生何韦宝为论文第一作者，博士生万顺为共同一作。国防科技大学胡瑜泽副研究员、景辉教授、江天研究员为论文共同通讯。南京大学夏可宇教授、湖南师范大学左云兰博士也为该工作的完成作出了重要贡献。
非厄米系统中的EP是由于系统具有耦合增益和损耗而产生的特殊点，在该点处，系统的本征值和本征态塌缩，展现出许多新奇的物理现象。近年来，非厄米物理在光学领域得到了广泛的关注，EPs被用于实现完美的吸收、拓扑工程、增强传感、单向隐身等多种功能。
在超表面研究方面，非厄米超表面通过灵活控制光的传播特性，为研究非厄米物理提供了一个有效的平台。通过调节谐振模式的损耗和耦合强度，可以在超表面中实现手性EPs，从而产生超手性场或自旋解耦调制等现象。然而，以往的手性切换或选择性手性反转通常依赖于结构变化或外部纳米探针扰动微腔来实现，这些方法存在操作复杂、缺乏灵活性等问题。
如图2所示，文章提出并设计了隐含两条手性相反EL的非厄密超表面结构，利用光泵浦非晶锗电导率上升带来的模式耗散损耗，实现EP手性的切换，不需要任何额外的增益材料或结构变化。具体而言，通过将三模耦合哈密顿量（3×3）降阶处理为描述两种正交偏振态的二阶传输矩阵（2×2），发现耗散损耗空间中存在两条手性相反的非厄密EL。为验证该发现，该工作利用超表面平台设计了一种不对称的金属线和开口谐振环结构，将损耗可调材料镶嵌在两不同的开口谐振环。由于光激发同时调控两个模式的损耗，存在一条调制曲线穿过两条手性相反的非厄密EL，在演化过程中实现EP的手性反转。最终，在实验上测试了光控超表面非厄密EP的手性主动切换，验证了理论提出的EP手性开关功能。同时，在瞬态光驱动的微扰中，可以选择性地实现超快手性反转，利用超快泵浦探测技术发现手性反转可以在皮秒级别的时间尺度内完成。
为了实现手性EP的主动反转，研究团队设计了一种特殊的超表面结构，该结构由金属线和两个不对称的开口谐振环(Split-ring resonator, SRR)组成，SRR中嵌入了Ge薄膜。通过紫外光刻和剥离工艺制备了该超表面，并利用光泵浦太赫兹探测系统进行了实验样品测试。
如图3所示，在实验中，通过改变泵浦光的功率来调控Ge的电导率，从而改变超表面系统的耗散损耗。当泵浦功率较低时，系统的本征态塌缩为左旋圆偏振态；而当泵浦功率增加到一定程度时，系统的本征态则转变为右旋圆偏振态。通过测量不同泵浦功率下的太赫兹透射谱，观察到了两个EPs的出现，分别对应于左旋和右旋圆偏振态。
为了进一步验证理论设计，研究工作进行了数值模拟，计算了不同Ge电导率下的传输矩阵和本征态。模拟结果显示，随着Ge电导率的增加，传输矩阵的本征态在庞加莱球上从南极（左旋圆偏振态）演化到北极（右旋圆偏振态），与实验结果一致。
图3 手性EP本征态切换
此外，如图4所示，该太赫兹超表面器件在飞秒光泵浦下引入瞬态损耗微扰，手性反转可以在皮秒级别的时间尺度内完成。
这项研究在太赫兹波段实现了基于非厄米超表面的手性反转，并展示了超快的手性调控能力。通过调控光诱导损耗，成功实现了手性EP的主动切换，并且这一过程可以在皮秒级别的时间尺度内完成。该研究为非厄米物理、超表面技术和太赫兹器件的研究提供了新的思路和方法，有望在光通信、光学信息处理等领域得到广泛应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.106901
供稿：课题组
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