非厄米奇点与米氏散射的奇妙关联：开启光学新领域

首页今日动态人才市场新技术专栏中国科学人云展台
BioHot
云讲堂直播会展中心特价专栏技术快讯免费试用

生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏

生物通首页 > 今日动态 > 正文

【字体：大中小】 时间：2025年02月25日 来源：SCIENCE ADVANCES 11.7

编辑推荐：

　　为探究非厄米奇点与散射干涉关系，[作者单位未提及] 研究人员研究非厄米米氏奇点，揭示其关联并实验验证，意义重大。

　　在光学的奇妙世界里，光与物质的相互作用一直是科学家们深入探索的领域。亚波长介质粒子中的米氏共振（Mie resonances）研究，让我们对电磁波的散射和局域化有了更深入的理解。这些亚波长谐振器就像微观世界里的 “光学魔法盒”，能支持多极电和磁米氏共振，通过巧妙调控，能在亚波长尺度上操控光与物质的相互作用，带来诸如准束缚态（quasi-bound states in the continuum，Q-BICs）、单向散射克尔效应（unidirectional scattering Kerker effect）、暗态散射的 anapole 态等新奇现象。

然而，每个米氏谐振器都是一个开放的物理系统，由于辐射损耗，它具有复杂的特征值，属于非厄米物理（non-Hermitian physics）的研究范畴。非厄米物理中存在着许多独特的现象，比如异常点（exceptional points，EPs），在这个特殊的奇点处，特征值和特征向量会合并，这与厄米系统中更常见的谱偶然简并（如恶魔点，diabolic points，DPs）截然不同。这些奇点能引发手性模式切换、单向性、非互易波传播等有趣现象，在声学、力学、电子学、半导体物理、光子学和等离子体学等众多学科中都备受关注。

尽管米氏共振起源的 EPs 在理论上有所研究，但这些研究受限于特征值分析和散射光谱演化，其独特的非厄米波散射特征从未在实验中得到验证。从多极通道耦合的角度出发，阐明米氏共振与非厄米奇点相关的不同现象至关重要。基于此，[作者单位未提及] 的研究人员开展了非厄米米氏奇点的数值和实验研究，试图揭示其中的奥秘。

研究人员以介电环形谐振器为研究对象，通过操控结构参数来控制系统失谐和模式耦合，探索 EPs 和 DPs 之间的转变，观察并利用 EPs。他们使用标准有效哈密顿量（Hamiltonian）和时域耦合模理论（temporal coupled-mode theory，TCMT）来描述这个非厄米系统。研究发现，通过改变结构参数，如纵横比和半径比，可以自由调整复特征值。

在模拟研究中，研究人员绘制了无损介电环形谐振器的散射截面图，发现 EPs 出现在两个共振峰之间的凹陷处，类似于耦合谐振器诱导透明和电磁诱导透明现象；而 DPs 则出现在共振峰的重叠处，类似于超散射状态。通过多极分解进一步研究发现，在 EPs 位置，两个主要由电偶极子（electric dipole，ED）贡献的奇数模式会发生简并，远场中两个 ED 之间的相消干涉导致了散射暗态（即 anapole 态）；在 DPs 位置，一个奇数模式（模式 1）与一个偶数模式（模式 3）合并，其散射行为可视为 ED 和磁偶极子（magnetic dipole，MD）的叠加。

为了验证理论结果，研究人员制作了一组介电环形样品，并在微波频段进行了远场和近场实验。实验结果与模拟结果吻合良好，证实了 EPs 和 DPs 的存在及其与散射行为的关联。此外，研究人员还研究了结构参数变化时的灵敏度以及 EP 附近系统灵敏度的稳健性，发现 EP 对扰动的响应比 DP 高得多。

该研究成果发表在《Science Advances》期刊上。这一研究意义重大，它揭示了非厄米奇点在米氏散射中的重要作用，建立了非厄米奇点与多极散射干涉之间的基础联系，为非厄米米氏电子学这一新兴领域奠定了基础。研究结果为开发具有高灵敏度和可调品质因数的紧凑型功能元器件（如传感器、吸收器、激光器和能量收集 / 传输单元）开辟了道路，也为非厄米光子学中多极米氏共振的研究提供了新的方向。

研究人员在研究过程中主要运用了以下关键技术方法：一是利用 COMSOL Multiphysics 软件的 Wave Optics 模块进行全波模拟，计算特征值和消光截面（extinction cross section，ECS）；二是搭建远场和近场实验装置，在微波频段进行实验测量，通过矢量网络分析仪（vector network analyzer，VNA）收集数据，并根据相应公式计算 ECS。

研究结果

理论模型与特征值调控：构建描述非厄米系统的理论模型，发现可通过操控结构参数调控复特征值，确定了 EPs 和 DPs 出现时结构参数的特征。
散射行为与奇点关联：模拟和实验表明，EPs 出现在消光截面两共振峰间的凹陷处，与 anapole 态相关；DPs 出现在共振峰重叠处，与超散射态相关。
多极分析结果：多极分解显示，EPs 处两 ED 贡献的奇数模式简并导致散射暗态；DPs 处奇数与偶数模式合并，散射行为是 ED 和 MD 的叠加。
近场实验结果：近场实验发现特定条件下可有效增强和控制光与物质的干涉，在谐振器中心表面有明显的电场增强。
灵敏度与稳健性研究：研究表明 EP 对扰动的响应比 DP 高得多，且在特定条件下达到了理论上可实现的最大非线性响应。

研究结论与讨论
研究人员通过精确控制亚波长介电环的高度，探测到独特的特征值行为和场分布，观察到 EP 处散射暗态和 DP 处超散射态之间的明显状态转变。他们提出模式合并形成 EPs 的通用框架，并通过实验验证。该研究将非厄米奇点与多极散射干涉联系起来，为开发先进光学器件提供了新机遇，在非厄米光子学领域具有重要的理论和应用价值。

热点排行

新闻专题

联系信箱：

粤ICP备09063491号