耦合非厄米趋肤效应与异常点的协同调控：光子晶格中的动态非厄米现象研究

《Light-Science & Applications》：Coupled non-Hermitian skin effect with exceptional points

本文推荐研究人员针对非厄米系统中异常点(EPs)与非厄米趋肤效应(NHSE)相互独立、缺乏协同调控的问题，开展了耦合非厄米趋肤效应的创新研究。通过构建具有特殊对称性损耗的光子波导阵列，发现多对EPs可压缩能谱并加速NHSE衰减，反之则显著缓解该效应。这项工作首次在实验上实现了EPs对NHSE的主动调控，为非厄米拓扑物态和量子传感应用开辟了新途径。

　　

在传统量子力学框架中，物理系统通常由满足厄米性的哈密顿量描述，其本征值为实数，保证系统能量守恒和概率守恒。然而现实世界中的开放系统不可避免地存在能量增益或损耗，这类非平衡系统需要非厄米理论来描述。非厄米系统展现出两个革命性特征：异常点（Exceptional Points, EPs）——能谱和本征态同时简并的奇点，以及非厄米趋肤效应（Non-Hermitian Skin Effect, NHSE）——体态波函数局域在边界的新颖现象。尽管EPs和NHSE都具有重要应用价值，但两者之间的内在联系始终是未解之谜。

Wang等人在《Light: Science & Applications》发表的研究，首次提出"耦合非厄米趋肤效应"概念，通过将两个具有独立NHSE的非厄米系统耦合，揭示了EPs对NHSE的动态调控机制。研究人员发现，当引入特殊对称性的非厄米损耗时，动量空间会出现多对EPs，导致周期边界条件（PBC）下的准能谱剧烈压缩，从而加速耦合NHSE的衰减。这一发现打破了传统认知，将EPs提升为调控NHSE的新自由度。

研究团队采用飞秒激光直写技术在硼铝硅酸盐玻璃内制备光子波导阵列，通过周期性弯曲波导引入人工规范场（AGF），结合破线技术引入可控损耗构建非厄米系统。实验通过测量808纳米激光在波导中的传输动力学，验证了理论预测。

人工规范场诱导的有效耦合

研究团队设计了一维光子波导晶格，包含A、B两种子晶格。A子晶格采用分段弯曲调制轨迹，通过Peierls替换引入人工规范场，产生等效复耦合强度κ_eff= |κ_eff|e^iφ_A。数值计算显示相位φ_A随弯曲振幅a和调制参数η变化，当η≠0.5时产生非零相位，这是实现NHSE的关键。

可调控的NHSE

在仅对A波导引入损耗时，开边界条件（OBC）下本征态呈现左右边界局域化（η<0.5时左边界，η>0.5时右边界）。通过计算缠绕数w = (1/2πi)∮?_klog det[H_eff(k)-E₀]dk，证实能谱缠绕方向与趋肤模态局域方向的对应关系。当损耗引入B波导时，NHSE局域方向发生反转，证明非厄米损耗分布可作为调控NHSE的新自由度。

耦合NHSE系统中的异常点

将两个空间对称的光子波导阵列（标记为LU和LD）通过B波导耦合，构建耦合系统。当两个子系统损耗相等（Δ = γ_A^U- γ_B^D= 0）时，动量空间能谱出现四对EPs。有效哈密顿量H'(k) = [β₀(k)-iγ₁(k), t_c; t_c, β₀(k)-iγ₂(k)]在满足|γ₁(k)-γ₂(k)| = 2t_c时产生EP对，随着耦合强度t_c增大，精确相区域扩展至整个动量空间。

EPs诱导的耦合NHSE衰减

EPs的出现导致PBC能谱塌缩为弧线，使得OBC能谱无法被完全缠绕，从而显著削弱耦合NHSE。通过定义趋肤因子S = Σ_j=1^N/2[Σ_i=1^N(|ψ_i,j^U|²+|ψ_i,j^D|²)e^|j-N/4|]量化局域化程度，发现Δ=0时趋肤因子随耦合距离d_c减小而急剧下降，而Δ≠0时系统保持较强的NHSE。

实验方面，研究人员制备了d_c=12微米的耦合样品，在Δ=0时观察到光波无序分布，证实EPs导致的NHSE衰减；而当Δ=0.05 mm^-1和0.1 mm^-1时，光波重新局域于右边界，验证了EPs消失后耦合NHSE的恢复。

这项研究首次在实验上实现了EPs对NHSE的主动调控，建立了非厄米系统中两个核心概念的内在联系。所提出的耦合NHSE框架为非厄米拓扑物态调控、波传输控制和量子传感器设计提供了新范式，推动了非厄米物理在集成光子学领域的应用发展。