基于异常点的传感技术新进展：从光学到电子学的高灵敏度检测革命

《IEEE Sensors Reviews》：Recent Advances of Exceptional Points (EP)-Based Sensing Applications: A Review

本文系统综述了基于异常点（EP）的非厄米传感机制，解决了传统传感器在弱信号检测中灵敏度不足的瓶颈问题。研究团队深入分析了EP在光学微腔与电子电路中的实现策略，揭示了其√ε乃至?√ε阶的超线性响应特性，显著提升了温度、磁场、生物分子等微弱参数的检测极限。该研究为高精度传感技术在物联网、生物医学等领域的应用提供了新范式。

　　

在当今传感器技术飞速发展的时代，检测微弱信号的需求日益迫切。传统传感器基于厄米系统的狄拉克点（DP）设计，其响应与扰动强度ε呈线性关系，但在检测极弱信号时灵敏度受限。近年来，非厄米物理中的异常点（EP）现象为突破这一瓶颈提供了新思路。EP是非厄米系统中的特殊简并点，其本征值和本征向量同时坍缩，使得系统在微扰下产生超线性响应（如√ε阶分裂），为高灵敏度传感奠定了理论基础。

为系统阐述EP传感的最新进展，美国伊利诺伊大学芝加哥分校的NANSHU WU等人于2025年在《IEEE Sensors Reviews》发表了综述文章，从基本原理、光学实现到电子系统应用层层深入，揭示了EP传感技术的巨大潜力。

关键技术方法

研究通过理论建模与实验验证相结合，重点分析了光学微腔（如微环谐振器、回音壁模式腔）和电子电路（如RLC谐振器）中EP的实现机制。光学系统通过调控耦合系数κ与增益/损耗分布构建PT对称结构，电子系统则利用负阻抗转换器（NIC）实现非厄米耦合。通过无线遥测技术与集成工艺（如130 nm CMOS），实现了EP传感器的小型化与噪声抑制。

光学EP传感器：从微腔到拓扑态

光学系统因其与量子系统的相似性，成为EP研究的先驱。通过调控微腔耦合或引入增益/损耗，可诱导EP产生。例如，Zhu等人利用微环谐振器与纳米光纤探针的耦合，首次在实验中观测到EP引起的模式分裂；Wiersig则通过微盘中的多个散射体构建EP，实现了单纳米粒子检测，灵敏度较DP系统提升3倍。

高阶EP进一步放大了灵敏度优势。Hodaei等人通过在三谐振器系统中引入中性环，实现了三阶EP，其频率分裂遵循ε^1/3规律。Peng团队则利用PT对称的微环腔，观察到明显的相位过渡现象，为动态调控EP提供了可能。

近年来，EP传感技术向集成化与鲁棒性方向发展。Liao等人利用表面等离激元波导与非对称金属盘耦合实现了微波频段EP；Weimann团队则通过拓扑边界态构建PT对称阵列，展示了EP在复杂环境中的稳定性。

电子EP传感器：从无线读出的芯片集成

电子EP传感器以PT对称电路为核心，通过负电阻（如NIC）与电感耦合实现非厄米特性。Schindler早期工作证明了RLC电路中的EP存在；Sakhdari则进一步发展了无线读出系统，通过电容/电阻传感单元扰动耦合谐振器，实现了远程检测。

高阶EP系统进一步拓展了应用边界。Sakhdari团队通过级联谐振器实现了九阶EP，显著降低了远程传感的耦合要求；Cao等人则首次报道了全集成CMOS PT对称系统，在提升信噪比（SNR）的同时实现了宽带响应。非线性EP的引入（如非对称增益-损耗对）有效解决了扰动方向敏感性问题，拓宽了可测参数范围。

挑战与展望

尽管EP传感器展现出卓越的灵敏度，其噪声抑制、系统鲁棒性及高阶EP调控仍是当前研究的难点。随机EP、拓扑保护态和异常表面等新机制为噪声控制提供了新思路。未来，光学EP传感器将向生物兼容性、多功能集成方向发展；电子EP传感器则有望通过半导体工艺实现芯片级封装，推动其在物联网、医疗诊断等领域的规模化应用。

综上，EP传感技术通过非厄米物理的独特性质，突破了传统传感器的灵敏度极限，为下一代高精度检测系统提供了充满希望的解决路径。