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Third-order exceptional point and successive switching among three states in an optical microcavity

异常点( Exceptional Points，EPs )是各种开放系统或非厄米系统在参数空间中表现为拓扑缺陷的分支点奇点。当通过一个EP时，这样一个系统的耦合本征值和对应的本征向量同时合并，这使得底层的哈密顿量存在缺陷。开放系统最有趣的拓扑特征之一是它们表现出奇异点( EP )奇异性。除了被广泛研究的二阶EPs ( EP2s )，在任何系统中探索高阶EPs都需要更复杂的拓扑结构。为了研究更高阶的EPs，人们提出了大量的理论，而不仅仅是EP2s。这里，n阶EP ( EPn )被定义为n个耦合态的同时并合。另一方面，在( n-1) EP2s的存在下，EPn的拓扑效应也可以实现。在此背景下，三阶EPs ( EP3s )得到了广泛的关注，因为与EP2附近的平方根响应相比，EP3附近的立方根响应对外界扰动极其敏感。当存在两个EP2对应三个耦合态时，可以遇到一个EP3。在这里，三个耦合态中的一个分别在两个不同参数区域的两个EP2附近与剩余的两个态相互作用。在这项研究中，来自印度理工学院物理系的Somnath Ghosh教授团队在一个可制造的二端口开放三层Fabry - Perot型光学微腔中证明了三阶奇点( EP3 )的存在。利用散射矩阵方法，他们通过避免共振交叉现象研究了三个连续耦合态之间的同时相互作用，并在两个避免共振交叉区域附近发现了两个EP2，发现对应的耦合态之间的态翻转现象。在一个封闭的二维参数空间中，与不平衡的损益曲线相关的两个EP2的出现导致了一个立方根分支点的功能，即EP3。同时将两个EP2s环绕在增益-损耗平面内，实现了EP3的三阶分支点行为，其中三个耦合态在它们之间依次切换。他们提出的具有EP3的腔结构必将开辟一个先进的平台来制造高性能的集成光学器件来研究奇异性辅助的非常规物理效应。此外，所提方案还可以在任意导波结构中实现模式转换器、环形器(在非线性项存在的情况下)等。

Phys. Rev. A. 101, 063829 (2020)

报告人：付朋

Lithium niobate metasurfaces

由于单个 LN 脊的宽共振与整个结构的窄晶格共振之间的相干相互作用，在透射光谱中观察到 Fano 共振。共振的光谱位置可以通过改变几何参数来简单地设计。这种超表面被证明可以作为生动的结构着色功能化，它涵盖了从粉红色到蓝色的范围，具体取决于不同的结构尺寸。

Laser Photonics Rev. 2019, 13, 1800312

Room-Temperature Exceptional-Point-Driven Polariton Lasing from Perovskite Metasurface

在半导体材料中，激子作为一种典型的元激发，可与光子强耦合形成半光子、半物质的相干叠加态，即激子极化激元。激子极化激元同时继承了激子和光的属性，如极低有效质量、较强非线性效应、高速传播以及对外场调控的敏感性等等，是连接凝聚态体系和纯光子体系的重要桥梁，不仅在研究非平衡态玻色爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation, BEC)、超流(superfluidity)、超导(superconductivity)、孤子(soliton)、涡旋(vortex)等基础物理现象中扮演重要角色，而且在构筑新型片上集成光电器件，如低阈值相干光源、逻辑门、单光子源、发光二极管等方面展现了巨大的应用前景。激子极化激元实验研究发端于上世纪60-70年代，研究体系主要是离子型的极性半导体材料如CdTe、GaAs等。然而体材料的激子-光子耦合效应较弱。自从1992年随着光学微腔的引入，GaAs和CdTe量子阱体系微腔激子极化激元体系逐渐受到越来越多的关注。基于先进的分子束外延技术，高品质微腔的制备成为可能，比如应用最广泛的分布式布拉格反射镜 (Distributed Bragg reflectors, DBR)。同时受到冷原子体系玻色-爱因斯坦凝聚实验的启发和推动，微腔激子极化激元的研究受到了前所未有的关注。2006年Le Si Dang团队首次在CdTe体系实现了5K左右的激子极化激元玻色-爱因斯坦凝聚和激光[Nature 443, 409-414(2006)]。如今微腔激子极化激元的研究已经成为一个成熟而活跃的前沿领域，然而受限于较低的激子结合能，早期GaAs或者CdTe体系仅能在液氦温度运行。最近，具有高激子结合能的新兴半导体体系，如卤素钙钛矿半导体，展现出了巨大的前景。它结合了无机和有机半导体的优点，具有室温强激子效应、高缺陷容忍度、长程双极性载流子输运、多维度易调控、易制备的优势，为室温激子极化激元的探索与研究提供了性能优异的体系。然而，在没有DBR的钙钛矿平面型光子微腔中，极化激元激光尚未在实验上观测到。在这项研究中，来自俄罗斯ITMO大学的S. V. Makarov教授团队在基于钙钛矿的非局域超表面(non-local metasurface)中演示了异常点(exceptional point, EP)介导的室温极化激元激光。在光泵浦进入非线性区域后，超表面的激子-极化激元色散中的EP出现在对称性保护的连续体中束缚态(bound states in the continuum, BIC)的光谱附近。EP为极化激元凝聚的形成提供了高的模式限制和增强的局域态密度(Local density of states, LDOS)。同时，本文所采用的可溶液加工的大规模极化激元激光器的纳米压印方法与片上集成的各种平面光子平台兼容，为实现基于多种卤化物钙钛矿的室温平面极化激元激光器开辟了新途径。

Adv. Funct. Mater. 2023, 2215007