太赫兹超表面三EP手性切换与多功能传感

【原始文献】 Active switching of chirality at exceptional points in terahertz metasurface and its multifunctional sensing applications

【中文译名】 太赫兹超表面中例外点处手性的主动切换及其多功能传感应用

【作者】 Zhenkai Li, Wu Ren*, Xiaoyun Song, Zhenghui Xue, Weiming Li

【单位】 Beijing Key Laboratory of Millimeter-Wave and Terahertz Wave Technology, School of Integrated Circuits and Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China

【期刊】 Optics Express, Vol. 33, No. 18, 2025-09-08

【DOI】 https://doi.org/10.1364/OE.569380

一、研究背景与意义

非厄米物理中，例外点（Exceptional Points, EPs）存在于开放系统参数空间的黎曼曲面上，此时系统哈密顿量的本征值和本征态同时简并，引发一系列反直觉的物理现象。利用近轴光波方程与含时薛定谔方程的形式类比，非厄米哈密顿量和EPs被成功引入光学与光子学研究，催生了超灵敏传感、单向隐身、异常拓扑相等丰硕成果。超表面作为超材料的二维类比，可通过材料吸收和辐射泄漏引入损耗，并通过外部光/电泵浦实现增益控制，是研究非厄米哈密顿量和EPs的理想平台。

二、超表面结构设计与理论模型

本文复现的超表面单元由一根I形金属条和两个开口谐振环（SRRs）组成，在两个SRRs的缝隙中嵌入二氧化钒（VO₂）贴片，衬底为二氧化硅。单元周期p=150 μm，其他几何参数经优化设计如图1所示。VO₂是一种典型的相变材料，其电导率可通过温度在10~10⁵ S/m范围内连续调控，利用Drude模型描述其介电函数。

图1 非厄米VO₂-金属混合超表面结构示意图及单元几何参数

根据VO₂贴片在不同电导率下的谐振场分布，系统可建模为三模双端口或双模双端口构型。在低电导率状态（σVO₂=20 S/m），x偏振入射波可激发两侧SRRs的LC谐振模以及I形金属条的偶极模，构成三模双端口系统；在高电导率状态（σVO₂=1×10⁵ S/m），左侧SRR缝隙被高电导率VO₂填充而无法激发LC谐振，系统简化为双模双端口构型。利用耦合模理论，分别构建了两种构型下的哈密顿矩阵，该哈密顿矩阵与薛定谔方程存在形式上的类比关系，其复本征值描述了系统的共振频率和损耗特性。

图2 耦合模理论模型与非厄米超表面透射谱及电场分布

三、例外点手性切换与实验验证

通过测量不同VO₂电导率下超表面的四个线性透射分量（t_xx, t_xy, t_yx, t_yy），计算圆偏振基下的手性因子Λ，定义为右旋与左旋圆偏振透射率的对数比。实验采用太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）配合旋转偏振片实现。在频率-VO₂电导率参数空间中，识别出三个例外点：EP₁和EP₂位于0.6832 THz，分别表现出左旋和右旋手性；EP₃位于0.8548 THz，表现出左旋手性。通过温度调控VO₂电导率，可在单一超表面中实现三种EPs之间的动态手性切换。

图3 手性因子Λ的三维彩色映射曲面图及随VO₂电导率演化

图4 VO₂电导率变化对EPs演化的影响及拟合结果

四、特征值演化与黎曼曲面分析

采用耦合模理论对EP₁和EP₂附近的实验数据进行了参数拟合，提取了共振频率、损耗率及耦合系数等关键参数。图5展示了特征值幅度和相位随VO₂电导率的演化过程，在EP处可观察到特征值幅度和相位的同时简并，验证了EP条件的满足。图6为频率-电导率参数空间中特征值幅值的黎曼曲面，三个EP清晰分布在曲面不同区域，EP₁和EP₂互易性特征明显。

图5 不同VO₂电导率下特征值幅度和相位的演化

图6 频率-电导率参数空间中特征值幅值的黎曼曲面及三个EP局部放大图

五、EP手性超表面的多功能传感应用

基于超表面中的三个EPs，设计了三种传感方案：手性对映体区分、折射率传感和温度传感。

图7 圆偏振入射下超表面的透射谱及本征态在庞加莱球上的演化

对于手性对映体区分，选取左旋材料（Material-L）和右旋材料（Material-D）作为待测物。图8展示了两种对映体材料的介电函数曲线、圆二色性（CD）光谱和圆二色性对比度（CCD）光谱。当超表面处于EP时，两种对映体展现出显著不同的CD光谱特征，利用CCD光谱可清晰区分左旋和右旋对映体。

图8 手性对映体材料的介电函数、CD与CCD光谱分析

在折射率与温度传感方面，利用EP对外部微扰的极高灵敏度，测量了EP₁处本征频率分裂（Δω_EP₁）随待测物折射率和厚度的变化。结果表明EP₁的传感灵敏度S≈1480 GHz/(RIU·μm)，与理论预测一致。温度传感方案利用VO₂相变对温度的敏感性，EP₃处频率分裂与温度呈二次方关系，进一步验证了二阶EP在温度传感中的优势。图9汇总了三类传感器的性能分析结果。

图9 EP传感器灵敏度分析：折射率传感与温度传感

六、总结与展望

本文成功复现了基于VO₂-金属混合超表面的三EP手性切换与多功能传感仿真。通过温控VO₂电导率调制，在单一超表面中实现了三个EPs的动态切换，并系统分析了本征值与本征态在偏振空间中的演化。基于EP的超灵敏特性，验证了手性对映体区分、折射率传感和温度传感三种应用方案。该工作为多EP设计、手性切换和超表面多功能传感提供了全新视角，可拓展至微波、红外乃至可见光波段的各类非厄米系统。