超表面的研究為光子學領域帶來了變革性的進展，使得能夠通過亞波長結構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、傳感和通信等應用開辟了創新路徑。在這些顯著現象中，手性反轉的概念尤為引人關注，它是指能夠切換圓偏振光的旋轉方向。通過損耗實現手性反轉是一種新穎的機制，而PRL上的研究《損耗誘導的太赫茲超表面手性反轉》探討了這一現象在太赫茲頻率范圍內的應用，為非厄米物理及其潛在應用提供了新的見解。

手性及其在超表面中的重要性

手性是指結構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”。在光學中，手性與圓偏振光的行為相關，根據電場矢量的旋轉方向，圓偏振光可分為右旋和左旋。手性超表面被設計為對兩種類型的圓偏振光具有不同的交互特性，從而實現獨特的光學屬性，如不對稱傳輸、偏振轉換和光學活性。

對手性的控制在許多應用中至關重要，包括分子光譜、光通信和藥物中的對映體檢測。傳統實現手性反轉的方法通常依賴于改變超表面的幾何形狀或成分，這可能耗時且技術復雜。然而，這項研究提出了一種創新方法，通過利用損耗誘導效應實現主動且可逆的手性反轉。

非厄米物理和奇異點

損耗誘導手性反轉的關鍵在于非厄米物理領域，該領域研究與周圍環境交換能量的系統，從而引入損耗或增益。與能量守恒的厄米系統不同，非厄米系統表現出獨特的譜特性，例如奇異點（Exceptional Points，EPs）。EP是系統中兩個或多個本征模式合并的關鍵點，導致具有獨特物理行為的簡并。

奇異點因其誘導非傳統現象的能力而備受光學和光子學領域的關注，如單向隱形、增強傳感和光隔離。這項關于損耗誘導手性反轉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。

超表面設計與材料選擇

研究中采用的特定超表面設計對于實現所需的功能至關重要。實驗中使用的超表面由非晶鍺（a-Ge）和金（Au）微結構組成，每種材料都在調控系統特性方面起到了關鍵作用：

• 非晶鍺：該材料的導電性可以通過外部激光照射進行調控。當施加不同強度的激光時，a-Ge 的電導率發生變化，從而影響系統的損耗特性。這種調控方式使得系統可以在極短時間內對損耗進行動態調整。
• 金微結構：金是一種常見的等離子體材料，具有優異的導電性，并且易于通過微納加工技術制造出周期性結構。金微結構的作用是提供與太赫茲波相互作用的超表面平臺。

通過精確設計這些材料的排列和結構，研究人員構建了一個可以通過外部激光動態調控損耗的太赫茲超表面。

基于損耗的手性反轉機制

本研究的核心在于損耗與系統本征模式之間的耦合效應。在超表面結構中：

• 損耗調控： 當系統被調至 EP 附近時，即便是微小的損耗變化也會對模式分布產生巨大影響。通過控制 a-Ge 層的損耗，研究人員可以使系統在不同的偏振模式之間切換。
• 手性反轉： 通過調整損耗，系統可以在不同的模式之間進行躍遷，導致輸出的圓偏振光手性發生反轉。這種反轉過程并非簡單的濾波效應，而是一種可被主動控制的動態調制，并且其時間尺度在皮秒級別。

這種超快、可控的手性翻轉能力，不僅是光學基礎研究的一大突破，也為太赫茲器件提供了一種全新的動態調制方法。

應用和影響

損耗誘導手性反轉在太赫茲超表面中開啟了多個領域的激動人心的可能性。在通信技術中，動態控制光的偏振狀態能夠提高數據編碼和傳輸效率。在傳感和成像領域，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，該頻率因其在材料表征和生物醫學應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用也做出了貢獻。通過將損耗作為功能參數而非不必要的副作用，研究人員能夠設計更靈活適應性的光學系統。這一范式轉變有潛力影響未來在量子計算、光隔離器等領域的發展。

盡管研究代表了重大突破，但仍需解決若干挑戰。損耗的精確控制以及奇異點的穩定性對于確保實際設備中的可靠操作至關重要。此外，將這些超表面集成到適用于實際應用的緊湊、可擴展系統中也面臨技術難題。