清華新聞網(wǎng)2月5日電 奇異點(diǎn)（EP）是非厄密系統(tǒng)中的一類(lèi)特殊奇點(diǎn)，在該點(diǎn)處，本征值和本征態(tài)在參數(shù)空間中合并，并導(dǎo)致相關(guān)希爾伯特空間的降維。在此類(lèi)系統(tǒng)中，由于本征態(tài)的簡(jiǎn)并性，EP只會(huì)在某個(gè)確定的通道上運(yùn)行。這種本征特性可被用來(lái)實(shí)現(xiàn)有趣的不對(duì)稱(chēng)控制，如圓偏振光的不對(duì)稱(chēng)透射和單向無(wú)反射現(xiàn)象等。然而，EP的利手性導(dǎo)致孤立EP系統(tǒng)僅能對(duì)單個(gè)本征態(tài)實(shí)現(xiàn)響應(yīng)，極大程度上限制了其在波前控制領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，構(gòu)建任意狀態(tài)的奇異效應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。此外，迄今為止，在多波長(zhǎng)條件下工作的全彩色矢量超表面的設(shè)計(jì)仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，如何將波長(zhǎng)信息同全偏振矢量場(chǎng)結(jié)合對(duì)于全色顯示與安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用意義重大。
圖1：雙奇異點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全彩矢量波前調(diào)制示意圖
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授宋清華與法國(guó)國(guó)家科研中心帕特里斯·吉納維特（Patrice Genevet）研究員、臺(tái)灣成功大學(xué)吳品頡副教授合作提出了擴(kuò)展EP光子系統(tǒng)特定不對(duì)稱(chēng)響應(yīng)的新方法，構(gòu)建了不對(duì)稱(chēng)矢量波前調(diào)制的新策略，實(shí)現(xiàn)了全偏振態(tài)奇異效應(yīng)的構(gòu)造。研究人員發(fā)現(xiàn)，在奇異點(diǎn)處旋轉(zhuǎn)超結(jié)構(gòu)可以將Pancharatnam-Berry（PB）相位在某一特定圓偏振（CP）轉(zhuǎn)換通道上進(jìn)行單獨(dú)編碼。通過(guò)將鏡像對(duì)稱(chēng)策略應(yīng)用于納米結(jié)構(gòu)幾何形狀中，可以實(shí)現(xiàn)EP本征模式旋向性的反演，從而實(shí)現(xiàn)一對(duì)正交EP本征態(tài)的構(gòu)建。研究人員將這兩個(gè)源自正交偏振的EP簡(jiǎn)并本征模光信號(hào)進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)圓偏振光束的不對(duì)稱(chēng)反射，并將超表面響應(yīng)擴(kuò)展到CP狀態(tài)之外的所有偏振狀態(tài)。這種EP疊加設(shè)計(jì)的非厄密反射PB超表面表現(xiàn)出任意且單向的矢量波前整形能力，打破了拓?fù)涑砻娴墓逃芯窒扌浴Ｔ撗芯抗ぷ魈岣吡送負(fù)洳ㄇ罢螐V泛應(yīng)用的可能性，并為拓?fù)涑砻娴墓馔ㄐ拧?shù)據(jù)加密和高密度光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)開(kāi)辟了道路，此外，耦合一對(duì)EP來(lái)實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)響應(yīng)擴(kuò)展的策略對(duì)于更廣泛的EP系統(tǒng)也具有十分重要的參考意義。
圖2：雙奇異點(diǎn)拓?fù)涫噶砍砻娴脑O(shè)計(jì)原理。(A) 結(jié)構(gòu)單元示意圖，水平線(xiàn)偏振光沿-z方向垂直入射超表面。（B）單元結(jié)構(gòu)S與（C）其鏡像對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)Sm在x方向線(xiàn)偏振入射時(shí)的表面電流分布的仿真圖。（D-F）通過(guò)結(jié)合EP和PB相位梯度分布，出射光只往右側(cè)偏折，實(shí)現(xiàn)左右非對(duì)稱(chēng)波前調(diào)制。其中（D）單元結(jié)構(gòu)S只適用于右旋光(RCP)。（E）Sm只適用于左旋光(LCP)。（F）通過(guò)疊加S和Sm，可以對(duì)出射光的偏振態(tài)進(jìn)行任意控制。
圖3：具有鏡像對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的雙奇異點(diǎn)的仿真結(jié)果。（A）反射光譜的偏振選擇性。在λ = 600nm處可觀(guān)察到結(jié)構(gòu)S與Sm分別對(duì)應(yīng)的兩個(gè)與的兩個(gè)反射零點(diǎn)。（B）超表面S與（C）超表面Sm的本征態(tài)與波長(zhǎng)的關(guān)系在龐加萊球上的投影。表明它們?cè)讦?= 600nm處在兩個(gè)極點(diǎn)（RCP和LCP）簡(jiǎn)并。其中Es1與Es2代表兩個(gè)本征態(tài)。
圖4：具有不同偏振設(shè)計(jì)的不對(duì)稱(chēng)超全息圖的制作與測(cè)量結(jié)果。全息圖的偏振設(shè)計(jì)分別為（A）左旋LCP (χ = -45°)；（B） 右旋 RCP(χ = 45°)；（C）線(xiàn)偏LP-45° (ψ = 45°,χ = 0°)和（D）橢偏ELP (ψ = 0°, χ = 18.43°）。非對(duì)稱(chēng)全息圖像在30°時(shí)可以看到清晰的“L”、“R”、“A”和“H”圖像，但在對(duì)角-30°時(shí)僅出現(xiàn)模糊且不完整的圖像。（E）全息圖像對(duì)應(yīng)偏振在龐加萊球上的投影。 藍(lán)點(diǎn)：設(shè)計(jì)的偏振。 紅點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)測(cè)量的偏振。
相關(guān)研究成果以“創(chuàng)建任意偏振控制的奇異點(diǎn)對(duì)：非對(duì)稱(chēng)矢量波前調(diào)制”（Creating Pairs of Exceptional Points for Arbitrary Polarization Control: Asymmetric Vectorial Wavefront Modulation）為題發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。
本文通訊作者為宋清華、帕特里斯·吉納維特與吳品頡。第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2022級(jí)博士生楊子矜與臺(tái)灣成功大學(xué)博士生黃柏勝，合作者包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院秦昊燁、鄧敏聰副教授、韓三陽(yáng)助理教授和李勃教授，臺(tái)灣成功大學(xué)林佑璁博士，法國(guó)國(guó)家科研中心赫蘇斯·祖尼加-佩雷斯（Jesús Zú?iga-Pérez），同濟(jì)大學(xué)施宇智特聘研究員、王占山教授、程鑫彬教授以及伯克利加州大學(xué)Boubacar Kanté教授等。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、深圳市科創(chuàng)委等部門(mén)和項(xiàng)目的支持。
此外，宋清華團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了一種獨(dú)特的“僅相位”型全彩矢量全息策略，并開(kāi)發(fā)了一種基于離散傅里葉變換的先進(jìn)圖像補(bǔ)償算法，能夠在多波長(zhǎng)條件下校正多色圖像的尺寸和位置。通過(guò)將該補(bǔ)償算法與雙奇異點(diǎn)結(jié)合，在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)抑制了特定CP通道的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了寬帶條件下的不對(duì)稱(chēng)波前操作，并且證實(shí)了EP對(duì)的多通道復(fù)用能力。該團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的全色矢量加密方案能夠?qū)⒉ㄩL(zhǎng)和偏振信息獨(dú)立地編碼到強(qiáng)度分布中，顏色和偏振特性的耦合顯著增加了超表面信息容量，從而凸顯了其在光束整形、光學(xué)成像和顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息處理應(yīng)用中的巨大潛力。
圖5：基于雙奇異點(diǎn)的非對(duì)稱(chēng)全彩矢量全息示意圖。（A）通過(guò)使用PB相位，具有相同圖案但不同大小的紅綠藍(lán)三色全息圖像在水平線(xiàn)偏光（LP-H）照明下以指定角度重疊，（B）從而在感興趣的區(qū)域產(chǎn)生任意（C）方位角和（D）橢偏率的非對(duì)稱(chēng)全彩矢量全息圖。
圖6：不對(duì)稱(chēng)全彩矢量全息圖測(cè)量結(jié)果。（A）制備的超表面的 SEM 圖像和（B）其局部放大圖像。（C）測(cè)量的30°方向區(qū)域的強(qiáng)度、（D）方位角和（E）橢偏率。
相關(guān)研究成果以“奇異點(diǎn)對(duì)助力非對(duì)稱(chēng)全彩矢量超全息術(shù)”（Asymmetric Full-color Vectorial Meta-holograms Empowered by Pairs of Exceptional Points）為題發(fā)表在《納米·快報(bào)》（Nano Letters）上。
本文通訊作者為宋清華、吳品頡與中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所副研究員黃偉。第一作者為楊子矜與黃柏勝，合作者包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院秦昊燁、2023級(jí)博士生陳佳欣、韓三陽(yáng)助理教授和李勃教授，臺(tái)灣成功大學(xué)林佑璁博士，暨南大學(xué)鄧子嵐教授，法國(guó)國(guó)家科研中心赫蘇斯·祖尼加-佩雷斯和帕特里斯·吉納維特研究員等。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、深圳市科創(chuàng)委等部門(mén)和項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-44428-z
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c03611
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：陳曉艷
審核：周襄楠
