近日，同济大学物理科学与工程学院祝捷教授团队、王旭教授团队联合复旦大学物理学院石磊教授团队，在非厄米时空散射调控领域取得重要进展。相关研究成果以“Spatiotemporal Dynamics of Scattering Exceptional Points”为题，在线发表于国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。该研究工作探讨了散射奇异点的时空动力学特征，建立了奇异点拓扑与时空涡旋的映射关系，为结构波的动态调控开辟了新路径。

奇异点（Exceptional Points，EPs）是非厄米物理学中的核心概念。在非厄米散射系统中，奇异点对应于不同散射模态的简并，利用这一特性，可以实现传统厄米系统所不具备的极端非对称散射调控。然而，以往针对散射奇异点的研究大多局限于稳态图像：在这种静态视角下，不同奇异点的拓扑性质会被隐藏，仅呈现出相似的非对称散射行为。为突破这一局限，研究团队将研究视角从奇异点的静态响应拓展至动态图像。研究人员在静态奇异点与所激发的动态结构波包之间，建立了从动量—频率域到空间—时间域的数学关系。根据此关系，不同的奇异点会将其独特的拓扑性质“编码”到散射波包上，由此产生的动态波包——时空涡旋（Spatiotemporal Vortex，STV），严格继承了不同散射奇异点所携带的特定拓扑荷数。

图1、散射奇异点的两种散射图像。中间的超构散射表面承载了具有不同拓扑性质的奇异点（蓝色黎曼面表示拓扑荷为1的奇异点；红色黎曼面表示拓扑荷为2的奇异点）。左图为静态图像，在平面波入射下，两个奇异点产生类似的稳态散射行为，从而隐藏了它们之间的拓扑差异；右图为动态图像，在高斯脉冲入射下，每个奇异点将其独有的拓扑信息“拓印”在散射波包上，生成不同的时空涡旋（蓝色箭头表示拓扑荷为1，红色箭头表示拓扑荷为2）。两个奇异点的拓扑差异在其相位涡旋结构中得到了清晰展现。

与传统涡旋波不同，时空涡旋是一种在时—空混合域上存在相位奇点的多色波包，携带着横向的轨道角动量。在实验中生成此类复杂的脉冲是一项颇具挑战的任务，而对该脉冲波包的精准操控（如控制其传播方向等）则更为困难。该研究表明，非厄米系统的散射奇异点可为生成和操控此类时空涡旋提供有力手段。

为此，研究人员设计了一种四端口透射型超构表面；并基于投影非厄米方法，在该超构表面中同时构建了两个不同的二阶奇异点EP1和EP2，其本征值的拓扑荷数分别为1和2。理论计算与数值仿真进一步证明：当单一脉冲斜入射该超构表面时，EP1会在异常透射通道中激发一个拓扑荷数为1的时空涡旋，而EP2则会在镜面透射通道中激发一个总拓扑荷数为2的时空涡旋。最终，依托团队自主搭建的具备快速成像功能的水表面波平台，研究人员在实验中成功观测并证实了这一散射奇异点与时空涡旋之间的严格对应关系。           

图2、(a)水表面波实验示意图。(b-e)通过有限元仿真得到的随时间t变化的入射-散射过程：(b)入射脉冲和(c-e)随时间变化的散射波包分别展示了异常透射通道中的时空涡旋（红色箭头）和镜面透射通道中分裂的时空涡旋（黄色箭头）。(f)在脉冲传播路径上某一定点处测量的入射（黑色）、异常透射（红色）及镜面透射（黄色）时域场信号。(g-i)对应(d-f)的实验测量图，红色和黄色圈以及箭头标示出时空涡旋的位置。(i)中插图展示了脉冲包络的相位分布，即时空涡旋的拓扑荷。

同济大学博士后肖钰、助理教授车治辕为论文共同第一作者，复旦大学石磊教授、同济大学王旭教授、祝捷教授为论文共同通讯作者。该研究工作获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市科学技术委员会等项目支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75187-2