导读

在开放的物理世界里，即非厄米系统中，连续域束缚态（Bound states in the continuum, BICs）和 奇异点（Exceptional points, EPs）是两类重要物理奇点：BICs 能 “困住” 能量不辐射，大大提高场增强效果；EPs 因其独特的模式简并特性，对外部扰动超灵敏。尽管二者物理本质不同，但都在高灵敏度传感、激光发射以及非互易传输等领域存在相似的应用。然而，这两种奇点之间的内在联系与转变过程，在很大程度上仍是未解之谜。

近期，南京大学吴培亨院士课题组张彩虹教授和范克彬副教授联合紫金山实验室，首次揭示并实验验证了一个非厄米双模系统中，从单个束缚态奇点（具体为Friedrich-Wintgen BIC）到二维奇异环的完整演化过程。

他们巧妙地设计了一种全介质太赫兹超构表面，通过调控入射波的动量，精确地操控了两个奇点的转变。更进一步，团队利用外部光泵浦技术，通过引入可控的耗散扰动，成功实现了对异常点状态的动态、可逆切换。

基于EP-BIC的拓扑相位特性，他们最终演示了一款可光控开关的太赫兹波束偏转器。这项工作不仅在理论上打通了BIC与EP两大奇点概念，也为开发紧凑型、可重构的非厄米光子器件（如高灵敏度传感器和动态波前控制器）提供了全新的物理机制和实现路径。

相关研究成果以“Photoswitchable exceptional points derived from bound states in the continuum” 为题发表于Light: Science & Applications。博士生王磊、刘航为论文共同第一作者，张彩虹教授和范克彬副教授担任共同通讯作者，此研究项目得到了吴培亨院士、陈健教授、金飚兵教授的鼎力支持和悉心指导。

BICs（连续域束缚态）与 EPs（奇异点）的研究最早起源于量子系统，当前已在光学、光子学等经典系统中得到积极探索。人工微结构（超材料、超表面）的精准设计可调控电磁波，进一步推动了这一领域进展，其中介质超表面因本征损耗低，成为实现奇异散射现象的理想平台，非厄米系统中也已有相关研究报道。当前多数研究仅单独关注 BICs 或 EPs，未深入探究二者间的相互作用；虽有少数研究涉及 BICs 与 EPs 在单一系统中的理论共存，或通过数值模拟展示多 BICs 融合为单一 EP（兼具两类奇点特性），也有研究尝试在磁振子系统中通过阻尼匹配调控对称性，但针对 BICs 到 EPs 这两类拓扑奇点的转化过程，以及相关现象的主动可调性，仍缺乏深入研究，存在明显空白。针对这一挑战，本研究构建了一个基于非厄米物理机制的实验平台，成功捕捉到了这一复杂的拓扑演化过程。

1 实验验证奇点转化

全介质太赫兹超表面主体是一个高阻硅（损耗极低）薄板，上面周期性地排列着空气孔。结构简单，易于加工，且能在太赫兹波段支持高Q值的准BIC模式，通过精确改变入射角，驱动系统从BIC状态演化至EP状态。实验测量结果与理论预测高度吻合（图1，图2）。

图1：单个束缚点过渡到二维奇异环

图2：EP-BIC动态演化的实验观测

2 实现 EP-BIC动态切换与应用

利用一束980 nm的连续激光照射硅基超构表面。激光能量在硅中产生光生载流子，显著增加了材料的电导率，从而引入了额外的光学损耗。这种可控的损耗打破了形成EP所需的条件，相当于一个“关闭”EP的开关。实验显示，随着泵浦光功率从0 mW增加到500 mW，EP点处的尖锐透射谱逐渐变宽、强度减弱，透射率的调制深度高达52%，调制效果高于单独BIC的情况（图3）；利用 EP -BIC奇点的拓扑相位特性，在光控条件下实验实现太赫兹波束偏转的动态开关（图4）。尽管当前器件的切换速度受限于硅的载流子寿命（约25微秒），但通过材料工程（如离子注入或使用其他半导体材料）有望将速度提升至亚纳秒甚至皮秒量级。

图3：EP-BIC附近进行的光学泵浦实验结果

图4：基于EP-BIC的光控波束偏转开关

3 提供新策略与拓展方向

为探索非厄米奇点提供全新策略，为集成 BIC 与 EP 特性以实现高灵敏度传感、动态波前调控提供有力方法，同时为动态拓扑相位成像、高容量涡旋信号传输开辟新路径。

总结与展望

本文介绍了一种在非厄米系统中成功展示从”单一奇点到二维环”的过渡现象，通过调控入射波矢角度，在超表面上实验观测到 BICs向 EPs的转化，为两类拓扑奇点的相互作用提供了全新认知。同时利用光泵浦改变硅中载流子浓度，打破系统简并状态，实现 EP 的动态切换；基于该切换机制，借助奇点的拓扑相位特性，成功研制出太赫兹透射波束偏转开关，验证了技术的实用价值。这些成果对于推动非厄米系统中传感和波前控制的紧凑型设备的研发具有重要作用。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02036-0