导读

自非厄米系统提出以来，其独特的物理性质如奇异点（Exceptional point ）处的能级简并和非厄米趋肤效应（Non-Hermitian skin effect）中的波函数局域化，已在光学、声学和量子模拟等领域引发广泛关注。尤其是趋肤效应与奇异点之间的相互作用如何影响系统的拓扑性质、动力学行为及潜在应用，近年来逐渐成为该领域的一个重要研究方向。

近日，吉林大学电子科学与工程学院陈岐岱教授团队提出将具有独立趋肤效应的两个非厄米系统进行耦合，可以诱导出多对奇异点，进而实现对系统波函数局域化的调控，并在集成光学平台完成了对该现象的实验表征。该工作有望为开发基于非厄米物理的新型光子集成器件提供新的思路。

该研究成果近日发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》上，题为“Coupled non-Hermitian skin effect with exceptional points”。

研究背景

非厄米系统展现出许多在传统厄米系统中未曾出现的新奇物理现象。其中，奇异点作为非厄米体系中的一个重要特征，引起了广泛关注，在此处系统的本征值和本征态会同时发生简并，从而引发出许多有趣的物理效应。另一关键特征是非厄米趋肤效应，表现为大量本征态聚集在边界处，从而导致传统的体边对应关系失效。近年来，探索奇异点与非厄米趋肤效应之间的联系已成为重要的研究方向，已有诸多研究致力于揭示二者之间的相互作用。然而，当研究背景扩展到多个非厄米系统的相互作用时，这两个标志性特征之间的内在联系，无论在理论还是实验层面，仍是一个亟待深入探索的问题。

研究亮点

本研究通过耦合两个具有独立趋肤效应的非厄米系统，揭示其中趋肤模和奇异点之间的相互作用机制。该研究团队首先在弯曲耗散光波导阵列中实现了趋肤效应，发现周期性弯曲调制诱导的人工规范场与非厄米损耗分布可作为一个灵活的自由度来操控趋肤模的局域方向（图1）。可以观察到，损耗分布于不同的波导（A/B）会导致系统表现出相反的边界局域方向（图1d-g）。

图1. 具有趋肤效应的非厄米光波导系统。(a) 结构示意图；(b) 弯曲波导轨迹；(c) κ_eff的相位关于参数η、弯曲振幅 a 和耦合距离 d 的变化关系；(d), (f) 系统本征函数分布关于η 的变化关系；(e), (g) 准能谱示意图。

进一步研究发现，通过耦合两个具有不同损耗分布的系统（图2a），其对应动量空间的能带中可以出现多对奇异点，反映出一个潜在的宇称-时间对称性。伴随着系统之间耦合强度的增大，系统逐渐表现出由破缺相到完整相的转变，使得奇异点对在动量空间中的距离逐渐增加，从而导致了周期边界条件下的能谱坍塌（图2b）。这一趋势引起大部分趋肤模的相变，使得系统所表现出的局域性逐渐减弱至离域化，从而抑制了耦合趋肤效应（图2d）。有趣的是，一旦系统的损耗分布失配，奇异点就会消失（图2c），而趋肤效应的衰减也相应得到大幅缓解（图2e）。

图2. (a) 耦合系统的结构示意图；(b), (c) 耦合系统的准能谱示意图；(d), (e) 本征函数分布关于 (d) 耦合间距d_c 和 (e) 损耗差Δ的变化关系。

研究团队利用飞秒激光直写技术制备了非厄米光波导阵列，对上述现象进行了实验观测。图3e展示了相应的光波导阵列输出端面的形貌。通过仿真（图3a-d）和实验结果（图3f-h）可以看到，当系统损耗分布均等时，多对奇异点的出现导致了态边界局域现象的消失，即光呈现散射状分布。而当系统损耗分布失配时，奇异点消失，耦合趋肤效应恢复，即光局域在低损耗波导阵列主导的边界。这些结果验证了奇异点与耦合系统趋肤效应之间的相互作用。

图3. (a)-(d) 数值计算耦合波导阵列中的光演化结果，相应参数为t_c=0 and Δ=0 (a), d_c=12 μm and Δ=0 (b), d_c=12 μm and Δ=0.05 mm-1 (c) 和d_c=12 μm and Δ=0.01 mm^-1 (d)；(e) 加工样品在输出端面的显微照片；(f)-(h)分别对应(b), (c) 和 (d) 情况下的样品输出端面的实验观测结果。

总结与展望

本研究在具有人工规范场的非厄米光波导阵列中实现了趋肤效应，并揭示出人工规范场与非厄米损耗均可作为关键自由度，用于灵活调控趋肤模的局域方向。通过构建由两个所具有相反局域方向趋肤模的子系统组成的耦合体系，研究团队发现了系统中出现多对奇异点，其会导致周期边界条件下的能谱坍塌，从而抑制耦合趋肤效应；而当奇异点消失时，系统的局域特征恢复。这项工作在实验上揭示了非厄米系统中奇异点与趋肤效应两大核心特征之间的相互作用机制，为利用奇异点操控趋肤效应提供了新思路。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02006-6