“奇异点”是指两个（多个）特征值及其对应特征向量同时简并的系统参数空间中的谱奇点，是非厄米系统的特有特征。非厄米系统在奇异点处具有许多诱人的光学性质，并在光学传感、集成光学等领域具有重要的潜在应用价值，因而受到极大的关注。在早期，光学增益和损耗被集成在一个简单的一维传输系统（图1a左）中以实现奇异点，但是光学增益往往导致系统复杂、不稳定。有研究指出通过设计无源系统中的复介电常数同样可以观测到奇异点，这激发了对奇异点相关现象的研究，例如单向隐身。然而，一维传输系统光波调控能力有限。
超表面是一种由平面型人工原子按特定宏观排列方式构建而成的人工材料，已成为实现复杂光学奇异点的新平台。超表面的反射、透射或衍射性质可以用散射矩阵来描述，对于一个双端口的散射超表面系统来说，描述系统衍射特性的散射矩阵为：
其中r0是镜面反射，r-1和r+1是逆反射（图1a左）。当r-1或r+1等于0时，散射矩阵的特征值会发生简并，也就是达到了超表面的散射奇异点。实现散射奇异点的常用方法是在梯度超表面的单元结构内引入特定的损耗（图1b左），从而调节超表面系统的整体损耗，声波、微波的一些工作已经证明了上述方法的有效性。然而，由于在可见光波段缺少可调节的面内损耗和相应的制造工艺，利用面内单元结构损耗调控系统整体损耗的理念难以直接从非可见光波段扩展到可见光波段。此外，面内损耗结构与光波之间复杂且难以控制的相互作用制约了光学效率。因此，在光学非厄米超表面上实现高效率的奇异点仍然是光子学领域的一项具有挑战性的任务。
图1：高效率散射奇异点模型
鉴于此，同济大学物理科学与工程学院王占山教授和程鑫彬教授联合新加坡国立大学仇成伟教授，如图1b右图所示，提出了一种利用层间损耗调控系统整体损耗的策略，通过调控双层架构内的多重散射过程来精确控制层间损耗结构与光波之间的相互作用。首次展示了一种工作于奇异点（图2）的高效率散射非厄米超表面，该超表面可以完全逆反射左侧的入射光（|r-1| > 0.999），完全吸收右侧的入射光（|r+1| < 10-4)。作为概念验证，团队设计了一个由TiO2超光栅和Si亚波长光栅组成的双层超表面，上层的TiO2超光栅实现光波的定向调控，下层的损耗亚波长光栅实现可调的吸收，通过设计下层的损耗，最终实现了高效率的散射奇异点。实验证明，制备的样品在532 nm处可以实现左侧入射88%效率的逆反射和右侧入射85%效率的吸收（图3）。该工作为设计奇异点或高阶奇异点相关的多功能光学超表面平台提供了思路，可能会激发更多的多功能光子器件。
图2：高效率散射非厄米超表面的性能
图3：高效率光学非厄米超表面的实验结果
该成果以“Scattering exceptional point in the visible”为题发表在Light: Science & Applications期刊。新加坡国立大学仇成伟教授和同济大学程鑫彬教授为论文共同通讯作者，同济大学何涛博士后，同济大学张占一博士研究生，同济大学朱静远博士后为论文的共同一作，对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学施宇智教授，新加坡国立大学李志鹏博士后，新加坡国立大学卫珩博士研究生，同济大学魏泽勇副教授，同济大学李勇教授，同济大学王占山教授等。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-023-01282-4
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