近日，罗杰副研究员等人在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了一项突破性成果，首次在散射系统发现了高阶奇异点（Exceptional Point, EP）。这项工作不仅发现了三种新型高阶EP——激光型EP、反射型EP和吸收型EP，还在理论上证明了高阶吸收型EP具有超灵敏传感特性，展现出其在精密测量领域的重大应用前景。该研究突破了传统高阶EP研究仅局限于耦合系统的理论框架，不仅丰富了非厄米系统中EP的物理内涵，更为探索高阶EP的新奇物性开辟了全新的研究方向。
相关研究成果以“Ultrasensitive higher-order exceptional points via non-Hermitian zero-index materials”为题，在线发表于《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 134, 243802 (2025)）。苏州大学罗杰副研究员、苏州城市学院高雷教授、江苏科技大学王勇幸博士为通讯作者；苏州大学本科生颜栋阳为第一作者。徐亚东教授、杭志宏教授、南京大学赖耘教授等对论文提供了重要贡献。该成果是苏州大学首篇以本科生为第一作者发表在PRL的研究论文。
高阶EP源于多个本征值及其对应本征向量的同时简并。研究表明，N阶EP的本征值偏移与微扰呈N次根依赖关系，这一特性使其在增强传感与探测灵敏度方面展现出显著优势。目前，高阶EP及其传感应用已在多种实验平台中得到验证，但现有研究主要局限于哈密顿量描述的耦合系统，且重点关注微扰诱导的频谱分裂现象。
值得注意的是，在由散射矩阵描述的开放散射系统中，当多个本征值及其本征向量发生简并时，同样可定义EP。近年来，散射系统中的EP研究已揭示多种新奇的物理现象，然而，高阶EP的物理机制、特性及其在开放系统中的传感应用仍缺乏系统性研究。这一挑战主要源于开放系统的固有特性——通常仅允许两束反向传播的波发生干涉，而高阶EP的实现需要多波干涉，因此在实验和理论上均面临显著困难。
该研究创新性地提出利用零折射率材料（Zero-Index Materials, ZIMs）作为实现高阶EP的新型平台。ZIMs具有近零介电常数和/或磁导率的独特性质，能够支持多方向入射波的相干干涉，这一特性为在开放系统中构建高阶EP提供了关键解决方案。与传统认知相反，本研究发现ZIM系统中的损耗/增益相互作用非但不是不利因素，反而可作为实现高阶EP的有效调控手段。基于这一突破性发现，该研究成功在非厄米ZIM平台中构建了高阶EP，并首次展示了其在超高灵敏度传感领域的应用潜力。
图1. 三通道模型中的特殊三阶EP——激光型EP、反射型EP和吸收型EP。
该研究首次在散射体系中发现了散射矩阵的高阶EP，揭示了高阶激光型、反射型和吸收型EP的新奇物理特性，指出了高阶吸收型EP具有显著的传感增强效应，将EP的传感应用拓展至纯损耗系统，具有重要的实际应用价值。该研究突破了传统高阶EP研究仅局限于耦合系统的理论框架，不仅丰富了非厄米系统中EP的物理内涵，更为探索高阶EP的新奇物性开辟了全新的研究方向。
该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、江苏省自然科学基金、苏州市基础研究项目的支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/18gg-gvzc
