第一作者：叶芝露

通讯作者：Pai-Yen CHEN

通讯单位：伊利诺伊大学芝加哥分校电子与计算机工程系

PTX-symmetric metasurfaces for sensing applications  

Zhilu YE, Minye YANG, Liang ZHU, Pai-Yen CHEN

2021, 14(2): 211-220.https://doi.org/10.1007/s12200-021-1204-6

过去几十年见证了光学和光子学微/纳米传感器的发展，以及它们对生物医学分析、非破坏性检测和环境监测等诸多应用领域的发展所起到的推动作用。为了检测微小的扰动，人们希望探索和研究具有极高灵敏度和超小检测极限的光子学传感器。目前已经对包括光纤传感器、基于纳米线的传感器，以及基于接触起电的触觉传感器等多个传感系统在此方面的应用进行了研究。最近，具有不寻常点的超灵敏传感器引起了极大的关注，在由非厄米哈密顿量描述的光学和光子学系统中观察到了这种不寻常的点。其中最广为人知的例子可能是宇称-时间（PT）对称系统中通常观察到的奇异点（EP）。对PT对称系统的兴趣最初是由量子力学的发展引起的，研究表明某类非厄米哈密顿量可以展现出全为实数的能谱。在电磁学中，包含平衡的增益和损耗单元的PT对称结构在EP处出现两个或多个本征值。由于本征频率相对于外部扰动的剧烈变化，EP的这种特性具有用于超灵敏传感系统的潜力。科学家们进一步发现：在PT对称系统中，与高灵敏度传感密切相关的是相干完美吸收-激光（CPAL）点，它是一个自对偶奇点，在CPAL点，PT对称系统的本征值将分别达到零（CPA态）和无穷大（激光态）。

受CPAL点特性的启发，本课题组最近展示了一种电磁域的CPAL锁定传感系统，通过将两个单色入射波复振幅之比设置为特定的设计值，该系统最初保持在CPA态，轻微的干扰可能会打破初始状态的特定条件，使得工作模式从CPA态切换到激光态，从而导致传感灵敏度超过传统的基于法布里-珀罗腔的传感器。

       传统的PT对称系统虽然具有超灵敏传感的优势，但在获得具有相同增益/损耗的精确阻抗比方面可能面临挑战。为了解决这一困难，我们提出了一种在EP或CPAL点附近工作的、基于宇称-时间-倒数缩放（parity-time-reciprocal scaling, PTX）对称超表面的广义传感平台，并证明了超高灵敏度和超宽探测范围可以通过调节缩放系数来实现。此外，PTX对称系统可以具有与标准PT对称系统相同的本征谱，但是允许不相等的增益和损耗，甚至在完全无源系统中观察到奇异点。更重要的是，缩放操作在传感器设计中提供了额外的自由度，可以实现灵敏度、检测范围和调制深度的精细控制。

在本文中，我们介绍了基于PTX对称非厄米超表面系统的光学传感器。该传感器利用系统的奇点，例如EP，CPAL，显著提高传感器的灵敏度和检测极限。相比之前的工作，本文中提出的基于EP和CPAL的传感器采用单端口输入，使用更为简单方便，且更具可设计性。我们从理论上讨论了PTX对称系统的散射特性及其物理极限，结果表明其相对于传统非PTX系统可实现更高的灵敏度和探测极限。具体来说，我们可以通过调整系统的缩放因子至最佳值来使探测极限无限接近于零。同时，系统的缩放因子也可以用于调节其灵敏度和检测范围，使传感器更好地适用于具体的应用。我们的结果表明工作在EP或CPAL点的传感器理论上可以实现超过100 dB的调制深度，从而实现极微小扰动的检测，例如分子、气体或表面附着物引起的微扰。

Dr. Chen 课题组现招博士生，主要研究方向包括电磁学、射频电路和天线、人工超表面、传感器和通讯技术、5G和6G技术、机器学习等。感兴趣的同学请将个人简历和相关材料发送到老师邮箱：pychen@uic.edu，或加微信yzlsfh了解详情。

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Frontiers of Optoelectronics (FOE)期刊是由教育部主管、高等教育出版社出版、德国施普林格（Springer）出版公司海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一，以网络版和印刷版两种形式出版。由北京大学龚旗煌院士、华中科技大学张新亮教授共同担任主编。

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