近日，我院光电子智能器件与系统团队，基于超表面中的准连续谱中的束缚态，理论证实调控光学系统中的增益和损耗可以实现极大内禀手性的光谱奇异态。相关研究成果以“Chiral spectral singularities spawning from quasi-bound states in the continuum in PT-symmetric dielectric metasurfaces”为题发表在《Applied Physics Letters》 (Appl. Phys. Lett. 122, 171702, 2023) 上。

手性是物质的基本属性，例如手性分子和携带自旋角动量和轨道角动量的光场。但是自然界中物质与光波的手性相互作用非常微弱（圆二色吸收谱CD~10^-3），因此增加光与物质的手性相互作用有非常重要的理论和应用研究价值，例如手性光源和手性传感。近些年，超表面已经成为一个操控光波偏振、频率、相位和振幅等参数的紧凑纳米可集成平台。为增强光的内禀和外禀手性响应，手性超表面中的连续谱中的束缚态（BICs）得到广泛研究。值得注意的是，大部分报道的手性响应增强是基于几何对称破缺微扰，非厄米微扰的影响则被忽略。

图 (a) PT对称手性超表面结构。(b) 非厄米参数为零时动量空间BICs投影偏振矢量场及品质因子。(c) 散射矩阵本征值。(d) 超表面的圆二色透射谱。

BICs是一种品质因子趋近于无穷的光子本征态，位于连续谱中。BICs可以通过引入几何对称破缺微扰变成品质因子有限但极大的准BICs。BICs和准BICs都是无源Maxwell方程在外向行波边界条件下的本征解，对应到复平面的一系列极点。此外，BICs具有拓扑性质，为远场动量空间拓扑偏振奇异，如图(b)所示。1998年Bender等人发现时间空间联合反演对称（PT）的非厄米哈密顿量可以具有完全的实谱，PT对称的量子力学概念可以引入超表面中，即超表面具有可调节的等量的增益和损耗。通过操控非手性超表面中的增益和损耗，如图(a)所示，该团队发现极高品质因子的准BICs能快速从复频率下半平面移动到上半平面，而且准BICs的手性在不断增大。

在一系列特殊的点，由于系统的净增益补偿辐射损耗，准BICs的品质因子再一次趋近无穷，即同时形成激光和完美吸收点或者光谱奇异点，此时准BICs的手性达到最大值，如图(d)所示。光谱奇异点位于散射矩阵的PT对称破缺状态中，即散射矩阵本征值不再全部是幺模，如图(c)所示。该工作揭示了一种新的途径来增强非厄米光学系统中的手性相互作用。

合肥工业大学为论文唯一单位，物理学院陈小林老师为论文第一作者，高伟清教授为论文通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和合肥工业大学中央高校业务费等项目的支持。

文章链接：https://pubs.aip.org/aip/apl/article/122/17/171702/2885295/Chiral-spectral-singularities-spawning-from-quasi

                                       （陈小林/图文  高伟清/审核）