夏可宇教授和陆延青教授团队在非厄米磁传感领域取得进展

近日，南京大学夏可宇教授、陆延青教授团队与湖南师范大学景辉教授、中国科学院物理研究所刘伍明研究员及新加坡国立大学仇成伟教授合作，在国际著名光学期刊Nature Photonics上发表了题为“Observation of loss-enhanced magneto-optical effect”的重要研究成果，标志着在非厄米磁传感领域取得了新的进展。

磁光效应在电磁学和量子力学中至关重要，在光学中广泛应用于传感、非互易器件、自旋电子学、二维材料的磁学、量子计算，甚至识别基本物理效应。迄今为止，它们大多局限于传统的磁光法拉第效应（MO Faraday effect）和克尔效应（Kerr effect）。迄今为止，非厄米系统中的磁光效应一直难以捉摸。非厄米物理在各种玻色子甚至量子系统中已经广泛研究，与磁性相关的非厄米系统，如磁波导和腔体以及量子自旋，已被提出用于揭示奇异的物理现象。在这些现象中，特殊的奇点称为奇异点(exceptional point)，由于本征值和本征向量的同时简并而引起了广泛关注。奇异点的存在使得系统的谐振频率对外界扰动的敏感性显著提高，这种特性已在光子学和电子学中催生了增强传感的概念。尽管已有研究表明，非厄米系统在奇异点附近可以显著提高传感器的响应能力，但其能否有效提高信噪性能（即灵敏度）仍存在理论争议，并且实验验证也相对不足，现有实验大多集中于有源的增益-耗散型非厄米系统，主要展示了响应的增强，而缺乏灵敏度提升的具体实验证据。

我们的研究提出了一种新型的传感原理——基于非厄米磁光效应的磁传感。该研究工作推导了磁光效应的量子耦合模型，并在实验上构筑非厄米磁光效应，通过精确电流和电压调控系统工作参数验证了无源耗散型非厄米系统相对厄米系统可以指数提升测量灵敏度。这一发现不仅为非厄米传感技术的发展提供了新的方向，还为设计高性能传感器奠定了基础，具有重要的科学意义和潜在的应用价值。

图1展示了传统厄米和非厄米增强的磁传感器的基本概念，以及它们对磁场扰动的响应。两种体系均由一个法布里-珀罗（FP）光学谐振腔和嵌入其中的磁光材料组成 [图1(a)]。与传统厄米系统不同，非厄米磁传感器引入了非平衡损耗。研究人员通过理论计算绘制了本征值黎曼面 [图1(b, c)]，并比较了两种体系下的本征频率谱特性[图1(d)]和响应度[图1(e)]。不同于厄米磁光效应中本征频率劈裂随磁场的线性响应 [图1(b, d, e)]，在奇异点附近，本征频率劈裂随磁场呈亚线性的响应且响应度得到显著增强[图1(c-e)]。

图1 (a) 非厄米增强的磁传感器概念图。(b, c) 特征频率曲面的实部，其中(b)对应传统厄米系统，(c)对应非厄米系统。(d) 厄米及非厄米磁光系统中本征频谱特性的比较。(e) 厄米及非厄米磁光系统中本征频率劈裂以及响应度随磁场变化的比较。

传统厄米和非厄米磁传感器的实验装置如图2(a, b)所示。在厄米体系中，水平和竖直线偏振模式的损耗近乎相等，如图2(c)所示。非厄米磁光系统通过具有线二色性的液晶实现非平衡损耗，这种损耗可以通过调节液晶上的电压进行动态控制，如图2(d-f)所示。

图2 (a, b) 传统厄米和非厄米磁传感器的实验装置图。(c) 厄米体系中水平和竖直线偏振模式的腔透射谱。(d) 水平与竖直偏振模式在液晶中的透过率以及在腔中的损耗。(e, f) 非厄米 中水平和竖直线偏振模式的腔透射谱，(e)对应EP1, (f)对应EP2。

通过以上实验装置，研究人员在实验中详细比较了传统厄米和非厄米增强的磁传感器，如图3所示。和理论预期相同，传统厄米磁传感器中，本征频率劈裂随磁场呈线性的响应，如图3(a)所示。而在非厄米磁传感器中，当磁场小于时，频率劈裂完全关闭，缺乏磁光响应；而在附近，频率劈裂随磁场的变化极为敏感，表现为小信号的平方根响应[图3(a)]。相比传统厄米磁传感器，频率响应度最高增强14倍，如图3(b)所示。在非厄米磁传感器中，响应度增强的同时噪声也有一定程度的增加[图3(c)]。在考虑了不同系统的噪声后，非厄米磁传感器的有效灵敏度增强了2-3，如图3(d)所示。

该研究构建了一种电调控无源非厄米磁光系统，回答了非厄米物理中广受关注的非厄米传感系统在奇异点附近能否增强测量灵敏度的重要科学问题。开发的可重构磁光器件演示了非厄米增强的测量灵敏度，并且有潜力与光子系统集成，为强磁场背景下进行高灵敏度弱磁场探测铺平了道路。该工作为未来磁光量子效应、非厄米物理以及非厄米高灵敏度传感器研究奠定了基础。

图3 传统厄米和非厄米增强磁传感的实验观测。(a) 磁场作用下两种磁传感器的特征频率分裂。实心点和虚线分别表示实验结果和拟合结果。(b) 与传统厄米磁传感器相比，非厄米磁传感器中响应度的增强因子。(c) 两种磁传感器的实验测量误差。(d) 非厄米磁传感器的灵敏度增强因子。

南京大学为该工作的第一完成单位，南京大学副研究员阮亚平、博士后唐江山和新加坡国立大学博士后李志鹏为共同第一作者，南京大学夏可宇教授、陆延青教授、湖南师范大学景辉教授、中国科学院物理研究所刘伍明研究员和新加坡国立大学仇成伟教授为共同通讯作者，南京大学博士生吴浩东、周文鹏、肖隆奇、副研究员葛士军、新加坡国立大学博士后陈剑峰为该研究的重要合作者，该研究工作还得到南京大学胡伟教授及张涵副教授的指导与帮助。该工作得到了科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金委、江苏省“双创人才”和“双创团队”计划及南京大学卓越研究计划等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41566-024-01592-y