光与物质的手性耦合（chiral coupling）近年来成为光子学与量子信息领域的研究热点。它能够赋予光–物质相互作用方向选择性，从而实现单向传播与非互易吸收，同时也为手性分子检测与拆分、光偏振控制提供了高效手段。手性光--物质界面更是发展复杂量子网络的重要工具，它既能提升确定性量子态传输的保真度，也为模拟非平凡量子多体系统提供了新方法。因此，探索手性耦合及其控制机制具有重要科学意义和应用前景。近日，浙江大学物理学院研究团队利用人工表面等离激元（SSPP）波导支持的自旋--动量锁定光子模式，与钇铁石榴石（YIG）小球中的磁振子模式相结合，构建了一个新型的手性量子光学体系，并成功实现了微波信号的单向完美吸收。在我们的日常生活中，无论是手机通信还是雷达探测，电磁波的传输与吸收都是不可或缺的环节。要让电磁波在特定的方向上“只进不出”，一直是科学家们努力追求的目标。传统完美吸收器件由于对参数要求极为严格，往往需要精确调控多个输入场的相位和幅度，因此实现全吸收面临巨大挑战。以典型的双端口互易器件为例，在单输入场条件下，其理论吸收率上限仅为50%。另一方面，在吸收器件中引入非互易性，使得器件能够仅针对一个传播方向实现选择性吸收，不仅拓展了传统完美吸收的内涵，也为微波和光子信号的方向性调控、隔离与信息处理提供了新的实现途径，具有重要的潜在应用价值。
在本项研究中，团队提出利用自旋--动量锁定的光子模式与具有天然自旋极化的磁振子模式发生手性耦合。实验结果表明，磁振子仅与特定传播方向的微波发生相互作用，从而彻底关闭反射通道；在临界耦合条件下，透射通道也被完全抑制，实现了单向入射信号的100%吸收。进一步地，通过引入多个YIG小球，研究人员实现了双向完美吸收与多频段吸收，展现出体系在功能扩展和应用上的高度灵活性。
图1. 自旋-动量锁定波导磁振子系统中的手性耦合及单向完美吸收
如图 1a所示，人工表面等离激元（SSPP）波导能够支撑具有自旋–动量锁定特性的传播光子模式，其横向自旋角动量、波矢量与界面法向三者之间满足右手定则的锁定关系，使得来自不同端口的微波在波导节点处激发出相反极化方向的圆偏振光子态。当磁性小球（YIG）置于高自旋密度区域并在 z 方向外加偏置磁场时，YIG 中的磁振子模式与光子模式发生自旋选择性耦合，当两者的自旋方向一致时，就会发生强烈耦合，反之则不能耦合，像是量身定做的锁和钥匙。结合光子模式的自旋—动量锁定机制，正向自旋极化的磁振子仅与1 端口输入微波（自旋向上）产生强耦合（图1b），而与2 端口输入微波（自旋向下）完全脱耦（图1c）。在这种条件下，系统实现了完美的手性耦合，即正向输入信号在波导中被强烈吸收，而反向输入信号则能够无损透射，测试结果如图1d所示。进一步通过精确调节 YIG 与波导之间的距离，使其外部耗散率恰好等于本征耗散的两倍，从而达到临界耦合条件，最终实现了单方向上 100% 的信号吸收，而反向输入信号依然保持高透射率，标志着单向完美吸收的实现，如图1e所示。该吸收特性具有高度可调性：其工作频率可通过外加偏置磁场在至少 4 GHz 的范围内灵活调谐（图2a），吸收方向也可通过磁场方向实现可逆切换。此外，研究团队还展示了体系良好的可扩展性：当两个 YIG 小球同时手性耦合到 SSPP 波导不同位置，并通过局域磁场实现独立频率调节时，不仅能够在单一频率上实现双向完美吸收，还展现出显著的多色性和功能扩展潜力（图2b,c）。这些结果表明，该体系为探索手性光--物质相互作用提供了一个简洁而高效的实验平台，同时在定向信号处理、非互易器件设计、非厄米物理以及能量收集技术等方面展现出重要应用前景。
图2. 系统功能的多色性和双向完美吸收
该研究成果于近日发表在《Nature Communications》上。浙江大学物理学院已出站博士后钱洁（现华东师范大学研究员）为论文第一作者，王逸璞研究员、游建强教授和加拿大曼尼托巴大学胡灿明教授为共同通讯作者，浙江大学信电学院杨怡豪研究员、研究小组博士生洪旗、王子元、吴文欣亦对文章做出重要贡献。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目和面上项目的大力支持。
文章信息：Jie Qian, Qi Hong, Zi-Yuan Wang, Wen-Xin Wu, Yihao Yang, Can-Ming Hu*, Jian-Qiang You*, Yi-Pu Wang*. Unidirectional perfect absorption induced by chiral coupling in spin-momentum locked waveguide magnonics. Nat. Commun, 16, 8100 (2025).
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63305-5
