奇异点（Exceptional Point，EP）是非厄米系统中的一类特殊简并点，在该点处系统的本征值和本征态同时合并，并由此产生一系列异常的物理响应行为。在散射系统中，奇异点往往与无反射（reflectionless，RL）散射态相关：当散射本征通道在特定频率发生合并时，系统可实现零反射传输。如果这种无反射行为只在一个传播方向上出现，而反方向仍保持较强反射，则形成单向无反射现象。这一特性在单向隐身器件、波导隔离和定向能量控制等方面具有重要的潜在应用价值。然而，在以往研究中，这类单向无反射态通常依赖单个共振模的洛伦兹型响应，其工作频率带宽较窄。
近期的理论研究提出了一种新的散射奇异点，即无反射态奇异点（reflectionless exceptional point，RL-EP）。在该奇异点处，两个无反射散射态进一步发生合并，使反射谱线从传统的洛伦兹型转变为具有四次方特征的平坦谱线形状，从而显著拓宽无反射带宽。尽管这一机制为宽带无反射器件提供了新的物理途径，但此前的实验研究主要局限于对称结构或双向系统，尚未实现单向无反射态奇异点。
针对这一问题，浙江大学物理学院磁振子研究团队提出并实验实现了一种新的方案：通过在波导磁振子阵列中引入巨自旋系综，人为显著地打破系统的空间反演对称性，从而实现单向无反射态奇异点。在该奇异点处，研究团队观测到只在单一传播方向上出现的无反射谷，并呈现出典型的四次方平坦谱线形状，其带宽明显宽于传统洛伦兹型无反射态。这一结果不仅验证了单向无反射态奇异点的存在，也为实现宽带单向隐身器件和定向波控制提供了新的物理机制和实验平台。
图1. 基于巨自旋系综的非对称磁振子阵列
为实现该奇异点，研究团队通过在一条特殊设计的弯曲微带线上放置三个钇铁石榴石（YIG）小球，构建磁振子阵列（图1D）。该阵列中的三个磁振子模式 M1、M2 和 M3通过波导中的行波光子媒介实现相互耦合。当磁振子模式与光子模式共振时，可视为一个“反射镜”，其等效反射率可通过调节磁振子与波导的耦合强度进行控制。由于单向无反射态的产生需要系统具有显著的空间非对称性，每个磁振子对应的等效反射率需呈现明显差异。为此，研究团队通过设计波导的传输路径，使磁振子M1模式与光场之间产生非局域相互作用，从而形成巨自旋系综。此时，M1模式与波导间的等效耦合可通过耦合点之间的干涉行为进行调控（图1A,B）。尤为重要的是，当巨自旋系综的三个耦合点发生相长干涉时，M1模式的等效反射率可被增强近十倍（图1C）。这一设计为构建具有高度非对称性的磁振子阵列提供了关键支撑。此外，通过调节外加磁场与YIG晶轴之间的夹角以及YIG样品与波导的间距，可独立调控M3模式的共振频率和反射率（图1F,G）。这一系列丰富且灵活的参数调控手段，为实现单向无反射态奇异点奠定了基础。
图2. 理论求解单向无反射态奇异点
为求解该奇异点发生的条件，研究团队建立了反布拉格磁振子阵列的理论模型（图2A）。当三个磁振子模式的等效反射率（即与波导的耦合强度）满足特定条件时，某一方向上的两个无反射解会发生简并，从而形成奇异点（图2B,C）。在相反方向上，两个反射解的虚部仍保持有限值，因此系统反射谱不会出现无反射谷，这表明该处对应于单向无反射态奇异点（图2D）。该奇异点的存在可通过反射谱特征进一步验证。相较于常规单向无反射谷的洛伦兹型响应，此无反射奇异点处的反射谷呈现出四次方型的响应特性，显著拓宽了单向无反射响应的频率带宽（图2E）。
图3.腔磁振子系统中的单向无反射态
为实验验证该单向无反射态奇异点的存在，研究团队观测了不同M3模式反射率下系统的近共振响应行为（图3E,F）。为直观关联谱线特征与磁振子阵列的协同行为，该系统被合理等效为一个腔磁振子系统：其中M1和M3模式充当腔镜，腔模对应于由M1与M3耗散耦合形成的暗模，M2模式则与该腔模发生相干耦合（图3A）。改变M3模式反射率相当于改变该系统的耦合区域（图3B）。在此调节过程中，系统的本征行为仅能从某一个方向的无反射态中读取，而在反向反射谱中难以分辨。通过拟合无反射态本征频率随参数演化的轨迹，观测到两支本征频率的汇聚，从而识别出单向无反射态奇异点（图3C,D）。实验结果显示，该奇异点在一侧表现为四次方型响应的无反射谷，而另一侧仍维持较高反射率（图3G–H），成功验证了单向无反射态奇异点的实现。此外，还在该开放体系中观测到了强耦合作用下的相干行为（图3I–J），其对应的能级免交叉现象也仅在单向无反射谷中得以识别（图3F）。
此研究在波导磁振子阵列中成功实现了单向无反射态奇异点，并深入揭示了其形成的物理机制，为探索开放体系中基于集体态的非厄米物理提供了新的视角与思路。相关实验结果有望为宽频带隐形器件及高效单向信息处理方案的设计带来新的启发。
相关成果以“Unidirectional exceptional point of reflectionless states in a magnonic mirror array”为题发表于《Science Advances》。浙江大学物理学院博士生王梓琦（已毕业，现在香港浸会大学从事博士后研究）与彭远鹏为论文共同第一作者，浙江大学物理学院王逸璞研究员和游建强教授为论文的通讯作者。该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省“尖兵”“领雁”研发计划、浙江省自然科学基金以及中央高校基本科研业务费专项资金等支持。
文章信息：Z.-Q. Wang, Y.-P. Peng, Y.-P. Wang, and J. Q. You, Unidirectional exceptional point of reflectionless states in a magnonic mirror array, Science Advances 12, eaea6000 (2026).
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea6000
