近日，我校物理科学与技术学院在非厄米超构材料方面取得重要进展。研究团队通过非厄米超构材料结构调控首次实现了PT对称性和PT反对称之间的可控转换。研究成果以“Experimental Demonstration of Controllable PT and Anti-PT Coupling in a Non-Hermitian Metamaterial”为题发表在物理领域顶级期刊《Physical Review Letters》。

研究与环境存在能量交换和复杂耦合机制的开放系统是近年来物理学的重要方向。其中具有宇称-时间 (Parity-time,PT)对称性的非厄米系统(Non-Hermiticity)首先被广泛探索，在这样的系统中直接存在着与外界的能量交换。与之对应的宇称-时间反对称 (Anti-PT)的实现依赖于系统组分间的耗散耦合，即一个组分的能量耗散被另一个组分吸收进而形成相互作用。尽管PT反对称性已经在一些实验系统中实现，其耗散耦合机制是否如同近场耦合一样存在相干性依然缺乏探索。

针对这个问题，研究团队采用强耦合超构材料基元，通过控制基元耦合相位实现了PT对称与反对称的变换，证明了耗散耦合存在相干性。超构材料基元辐射出的微波光子在耦合过程中形成了相位的延迟，这一参数可通过单元间距来控制。系统的对称性通过不同参数下的能谱确定。当基元谐振频率相同时变化耗散差值(图1(b)）在相位为0、PT对称的情况下，可以观察到奇异点 (Exceptional point, EP)以及与之相关的相变，而在相位为π/2、anti-PT对称性情况下，只能观察到能谱实部的简并。保持anti-PT对称性，只有变化谐振频率的差值，才能观察到相应的EP(图1(c)）。

图1 (a)谐振单元耦合示意图，单元间距控制耦合相位 (b)当谐振频率相等时，变化耗散和耦合相位的能级图(c)当相位为π/2时，变化耗散和谐振频率的能级图，蓝色点代表EP。

研究团队通过测量超构材料的透射谱，拟合得出本征能量的实部与虚部(图2(a))。实验和计算首先找到了达成PT反对称性的基元耦合最佳间距，透射谱形成了谐振模式简并，即对应耦合相位为π/2。

图2(a)超构材料样品与实验示意图(b)改变间距的透射谱，在δ=6mm时出现模式简并

为验证超构材料的PT对称性和反对称性，研究团队进一步分析EP的可能性。通过连续调节一个振子基元的频率，可以观察到透射峰的消失与重现(图3(a))，且在对应的能谱分析中观察到两个EP和相应的相变(图3(b))呈现出PT反对称性特点。

图3. (a)在anti-PT对称性下改变谐振频率的透射谱(b)拟合提取的本征能量和对应的相变(c)满足PT对称性的构型(d)PT对称性下改变耗散的透射谱(e)本征能量与对应的相变

在此基础上，研究团队分析了谐振基元间耦合相位为0的情况，通过连续改变谐振基元的角度调控耗散因子，进而对本征能量的变化，进而透射谱(图3(d))和对应的能谱(图3(e))观察到EP与相变，表现出PT对称性。

该研究提供了构建非厄米超构材料的思路，通过控制超构材料基元耦合实现了PT对称性和PT反对称性的转换，观察到各自对应的EP和相变，证明了耗散耦合存在的相干性。相关工作得到了科技部国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目、陕西省青年科技新星、中央高校基本科研业务费等项目的资助。

文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.156601

Phys. Rev. Lett. 132, 156601(2024) - Experimental Demonstration of Controllable PT and Anti-PT Coupling in a Non-Hermitian Metamaterial

（审核：晁小荣）