超表面的研究為光子學(xué)領(lǐng)域帶來了變革性的進展，使得能夠通過亞波長結(jié)構(gòu)精確操控電磁波成為可能。這些工程化的表面具有控制光的振幅、相位和偏振的能力，從而為成像、傳感和通信等應(yīng)用開辟了創(chuàng)新路徑。在這些顯著現(xiàn)象中，手性反轉(zhuǎn)的概念尤為引人關(guān)注，它是指能夠切換圓偏振光的旋轉(zhuǎn)方向。通過損耗實現(xiàn)手性反轉(zhuǎn)是一種新穎的機制，而PRL上的研究《損耗誘導(dǎo)的太赫茲超表面手性反轉(zhuǎn)》探討了這一現(xiàn)象在太赫茲頻率范圍內(nèi)的應(yīng)用，為非厄米物理及其潛在應(yīng)用提供了新的見解。
手性及其在超表面中的重要性
手性是指結(jié)構(gòu)或分子存在兩種不可重合的鏡像形式，通常描述為“右手性”和“左手性”。在光學(xué)中，手性與圓偏振光的行為相關(guān)，根據(jù)電場矢量的旋轉(zhuǎn)方向，圓偏振光可分為右旋和左旋。手性超表面被設(shè)計為對兩種類型的圓偏振光具有不同的交互特性，從而實現(xiàn)獨特的光學(xué)屬性，如不對稱傳輸、偏振轉(zhuǎn)換和光學(xué)活性。
對手性的控制在許多應(yīng)用中至關(guān)重要，包括分子光譜、光通信和藥物中的對映體檢測。傳統(tǒng)實現(xiàn)手性反轉(zhuǎn)的方法通常依賴于改變超表面的幾何形狀或成分，這可能耗時且技術(shù)復(fù)雜。然而，這項研究提出了一種創(chuàng)新方法，通過利用損耗誘導(dǎo)效應(yīng)實現(xiàn)主動且可逆的手性反轉(zhuǎn)。
非厄米物理和奇異點
損耗誘導(dǎo)手性反轉(zhuǎn)的關(guān)鍵在于非厄米物理領(lǐng)域，該領(lǐng)域研究與周圍環(huán)境交換能量的系統(tǒng)，從而引入損耗或增益。與能量守恒的厄米系統(tǒng)不同，非厄米系統(tǒng)表現(xiàn)出獨特的譜特性，例如奇異點（Exceptional Points，EPs）。EP是系統(tǒng)中兩個或多個本征模式合并的關(guān)鍵點，導(dǎo)致具有獨特物理行為的簡并。
奇異點因其誘導(dǎo)非傳統(tǒng)現(xiàn)象的能力而備受光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注，如單向隱形、增強傳感和光隔離。這項關(guān)于損耗誘導(dǎo)手性反轉(zhuǎn)的研究利用了這一研究熱點，通過EP操控太赫茲超表面中的偏振狀態(tài)。
超表面設(shè)計與材料選擇
研究中采用的特定超表面設(shè)計對于實現(xiàn)所需的功能至關(guān)重要。實驗中使用的超表面由非晶鍺（a-Ge）和金（Au）微結(jié)構(gòu)組成，每種材料都在調(diào)控系統(tǒng)特性方面起到了關(guān)鍵作用：
- 非晶鍺：該材料的導(dǎo)電性可以通過外部激光照射進行調(diào)控。當施加不同強度的激光時，a-Ge 的電導(dǎo)率發(fā)生變化，從而影響系統(tǒng)的損耗特性。這種調(diào)控方式使得系統(tǒng)可以在極短時間內(nèi)對損耗進行動態(tài)調(diào)整。
- 金微結(jié)構(gòu)：金是一種常見的等離子體材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，并且易于通過微納加工技術(shù)制造出周期性結(jié)構(gòu)。金微結(jié)構(gòu)的作用是提供與太赫茲波相互作用的超表面平臺。
通過精確設(shè)計這些材料的排列和結(jié)構(gòu)，研究人員構(gòu)建了一個可以通過外部激光動態(tài)調(diào)控損耗的太赫茲超表面。
基于損耗的手性反轉(zhuǎn)機制
本研究的核心在于損耗與系統(tǒng)本征模式之間的耦合效應(yīng)。在超表面結(jié)構(gòu)中：
- 損耗調(diào)控： 當系統(tǒng)被調(diào)至 EP 附近時，即便是微小的損耗變化也會對模式分布產(chǎn)生巨大影響。通過控制 a-Ge 層的損耗，研究人員可以使系統(tǒng)在不同的偏振模式之間切換。
- 手性反轉(zhuǎn)： 通過調(diào)整損耗，系統(tǒng)可以在不同的模式之間進行躍遷，導(dǎo)致輸出的圓偏振光手性發(fā)生反轉(zhuǎn)。這種反轉(zhuǎn)過程并非簡單的濾波效應(yīng)，而是一種可被主動控制的動態(tài)調(diào)制，并且其時間尺度在皮秒級別。
這種超快、可控的手性翻轉(zhuǎn)能力，不僅是光學(xué)基礎(chǔ)研究的一大突破，也為太赫茲器件提供了一種全新的動態(tài)調(diào)制方法。
應(yīng)用和影響
損耗誘導(dǎo)手性反轉(zhuǎn)在太赫茲超表面中開啟了多個領(lǐng)域的激動人心的可能性。在通信技術(shù)中，動態(tài)控制光的偏振狀態(tài)能夠提高數(shù)據(jù)編碼和傳輸效率。在傳感和成像領(lǐng)域，這一機制為以高靈敏度檢測手性分子提供了一條新途徑，特別是在太赫茲頻率范圍內(nèi)，該頻率因其在材料表征和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的適用性而著稱。
此外，這項研究對非厄米物理的廣泛理解及其在光子器件中的應(yīng)用也做出了貢獻。通過將損耗作為功能參數(shù)而非不必要的副作用，研究人員能夠設(shè)計更靈活適應(yīng)性的光學(xué)系統(tǒng)。這一范式轉(zhuǎn)變有潛力影響未來在量子計算、光隔離器等領(lǐng)域的發(fā)展。
盡管研究代表了重大突破，但仍需解決若干挑戰(zhàn)。損耗的精確控制以及奇異點的穩(wěn)定性對于確保實際設(shè)備中的可靠操作至關(guān)重要。此外，將這些超表面集成到適用于實際應(yīng)用的緊湊、可擴展系統(tǒng)中也面臨技術(shù)難題。
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