近日，恒达平台物理科學與工程學院王占山教授和程鑫彬教授聯合新加坡國立大學仇成偉教授提出了一種通用策略，通過利用層間損耗來精確控製損耗結構和光波之間的相互作用，從而在可見光波段實現了高效率奇異點🏨。相關研究成果以“Scattering exceptional point in the visible”為題發表在《光💂🏽：科學與應用》（Light: Science & Applications）期刊上🎦。

非厄米系統在奇異點處具有許多誘人的光學特性🤑，在光學傳感、集成光學等領域具有廣闊的應用前景🦶🏼，因而受到了廣泛的關註🛑。超表面是一種由平面型人工原子按特定宏觀排列方式構建而成的人工材料，具有強大的電磁波調控能力🤹🏼‍♀️，逐漸成為實現復雜光學奇異點的新平臺👩🏻‍🏭。超表面的反射、透射或衍射性質可以用散射矩陣來描述，如圖1所示🍌，當逆反射為零時，超表面散射矩陣的特征值會發生簡並😖☝🏻，也就是達到了超表面的散射奇異點。在聲波/微波範圍內實現散射奇異點的一種常用方法是通過在單元結構中引入特定的損耗來調節梯度超表面的損耗👂🏼。然而，利用面內單元結構損耗調控系統整體損耗的理念難以直接從非可見光波段擴展到可見光波段👧，因為在可見光波段缺少可調節的面內損耗和相應的製造工藝。此外🙇🏿，面內損耗結構與光波之間復雜且難以控製的相互作用製約了超表面的光學效率。因此💏，在光學非厄米超表面上實現高效率的奇異點仍然是光子學領域的一項具有挑戰性的任務👐🏿👨‍⚕️。值得註意的是，工作在奇異點的二維散射系統在可見光波段尚未被報道。

圖1. 基於面內損耗的非厄米超表面

鑒於此，團隊開展相關研究💔🤵🏻‍♂️。如圖2所示🧑🏽‍⚕️，該非厄米超表面可以完全逆反射左側的入射光，完全吸收右側的入射光。作為概念驗證♻👩🏻‍🦼‍➡️，團隊設計了一個由TiO2超光柵和Si亞波長光柵組成的雙層超表面：上層的無損耗超光柵實現光波的定向調控，下層的損耗亞波長光柵實現可調的吸收💠。當選擇適當的損耗亞波長光柵時，實現了波矢相關的完美逆反射器和吸收器。特征值和相位的演化都證明超表面達到了奇異點。

圖2. 高效率散射非厄米超表面

團隊加工製造了上述超表面樣品（圖3a），並進行了兩次單獨的光譜測試，入射角分別為30°和-30°，如圖3b中紫色框和紅色框所示。當入射光從左側入射時，大部分光被樣品反射到入射方向上。當入射光來自右側時，幾乎沒有逆向反射光🤦🏻🧓🏽。實驗證明🧙🏽‍♂️，製備的樣品在532nm處逆反射和吸收效率分別為88%和85%（圖3c）。該工作為設計奇異點或高階奇異點相關的多功能光學超表面平臺提供了思路，可能會激發更多的多功能光子器件。

圖3. 高效率光學非厄米超表面的實驗結果

仇成偉教授和程鑫彬教授為論文共同通訊作者，恒达平台何濤博士後、張占一博士研究生🌑🧑‍💻、朱靜遠博士後為論文共同第一作者，對論文具有突出貢獻的合作者還包括恒达平台施宇智教授、新加坡國立大學李誌鵬博士後、新加坡國立大學衛珩博士研究生🍁、恒达平台魏澤勇副教授📈、恒达平台李勇教授、恒达平台王占山教授等。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01282-4#article-info