非厄米系统最引人关注的特性之一是存在奇异点（Exceptional Point, EP），在EP处，多个特征值及其对应的特征向量同时合并，导致系统的本征空间维度塌缩。 EP对环境扰动极为敏感，其特征频率分裂与扰动强度呈平方根关系，远超传统简并点的线性响应，这一特性为超灵敏传感器的研制奠定了理论基础。

近年来，基于二阶EP（EP2）的太赫兹（THz）超表面在增强生物传感、偏振控制和环绕诱导态交换等方面展现了巨大潜力。然而，向更高阶EP（如三阶EP，EP3）的拓展不仅有望进一步提升传感灵敏度和功能多样性，还能拓宽非厄米物理在光子器件中的应用。然而，在THz超表面中实现高阶EP仍面临诸多挑战， 其中最关键的问题是如何精准调控周期结构中谐振器间的耦合关系 ，而这种耦合特性对EP的构建至关重要。

近期， 中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室N10课题组提出了一种扩展EP2系统并引入弱耦合扰动的方法，大幅降低了构建三阶EP3的难度。 他们设计了一种由三个分裂环谐振器（Split-Ring Resonator, SRR）组成的THz超表面结构，这些谐振器被策略性排列，形成双层杂化耦合结构（图1a）。通过精确调控谐振器间的耦合，可以实现近零耦合、弱耦合以及形成EP2的耦合（图1b）。在此基础上，进一步组合三个SRR，同时，借助神经网络辅助的机器学习全局优化策略，实现了三个特征值及其对应特征向量的同时合并，在高维参数空间中快速搜索并锁定了EP3的最优位置（图1c）。 这为高阶EP的理论与实验研究提供了一种高效可行的方法。 此外，他们利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统测量了超表面的透射谱，并结合准模式耦合理论提取特征值， 实验上验证了这种超表面结构构建EP3的可行性 （图1d）。

图1(a) THz超表面结构。(b) 两两谐振环之间的耦合关系。(c) 搜索并锁定EP3过程中，不同几何参数下特征值的演化。(d) 透射谱及其拟合结果。

本研究为基于EP3的超高灵敏度生物传感器开发奠定了基础，在非侵入式细胞检测等医疗诊断领域具有广阔应用前景。该研究成果以“Achieving Higher-Order Exceptional Points in a Terahertz Metasurface”为题，于2025年3月3日在线发表在《Nano Letters》上。中国科学院物理研究所博士研究生付朋、蓝文泽和清华大学博士研究生彭湃为共同第一作者，中国科学院物理研究所顾长志研究员、刘宝利研究员和清华大学杨鲁懿副教授为通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会和中国科学院的项目资助。

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