生物传感器对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测，微型生物传感器芯片是可穿戴式生化检测设备的核心，生物医学检测是太赫兹技术的潜在应用之一。选用固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成合适的分析工具或系统。无标记的生物分子检测对被检测物本身没有任何影响，具有更高的检测准确性和可信度。本文采用新原理将传感器的灵敏度提升近一个数量级，可以更接近单分子检测的要求。

Parity-time（PT）对称性：量子力学概念，在传统的量子力学中，描述一个量子力学系统的哈密顿量在数学上必须具有厄米性，从而保证实的可观测量和体系几率守恒。这意味着该系统是一个独立的系统，不与外界发生能量交换。PT对称性则是指该哈密顿量在经过一次时间反演(T)和空间反射(P)操作之后依然保持形式不变。PT对称情况下，系统有为实数的本征态，整体增益为中性。通过选择不同的材料（增益材料和耗散材料），满足上面所列出条件，这样就获得了PT对称性材料。而在一定情况下，PT对称性可以发生破缺，本征态不是实数，系统有总的增益或耗散，则成为非厄米性质。量子力学中的波动方程与光学系统中的波动方程具有相似性，人们在具有非厄米性质的光学系统中展开了对PT对称性的研究。例如通过选择对称性破缺条件，使得只有一个模式满足受激激发条件，从而获得单模激光等应用。而本文利用PT对称性的奇异点做高灵敏度传感器，是PT对称性的一个新兴应用方向。

太赫兹生物传感器是太赫兹科学与技术领域一个重要的研究方向。结构简单、灵敏度高的无标记生物传感器是业界的共同追求。在一个满足parity-time（简称PT）对称性的系统中，当工作点在奇异点时，其频率的劈裂量与微扰量的平方根或立方根成正比，因此可以获得超越线性传感器的灵敏度。该设想于2017年在光频段得到证实，获得了灵敏度的显著提升[Nature548, 187; 548, 192(2017)]。可以设想，将该原理用于太赫兹频段将大大推动太赫兹生物传感器的发展。然而，不同于光频段，太赫兹频段很难实现增益介质，即使构建出准PT对称系统（有损耗无增益），在奇异点处本征频率的虚部也不为零，导致谐振峰的Q因子较低。当频率劈裂量很小时，将难以分辨，因此限制了灵敏度的提升。

图1.(a)满足准PT对称的三种状态下的透射谱;(b,c,d) 分别对应于劈裂相，奇异点和自发对称破缺时在极化空间的本征值的频谱

针对这一问题，南京大学电子科学与工程学院金飚兵教授研究组、中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心谭为副研究员、以及英国伯明翰大学张霜教授共同提出，可以从极化空间来分辨太赫兹准PT对称系统中小于谐振峰半宽的微小频率劈裂量。从图1可以看出，满足准PT对称的三种状态下的透射谱几乎重合，但是在极化空间里两支本征值曲线可以很明显地加以区分。基于该理论模型，合作团队提出了一种双层金属结构的太赫兹超材料，两层金属采用电导率相差较大的两种材料（如金和钛），中间是一个超薄介质层，起到支撑和隔离的作用，如图2所示。两个开口谐振环具有相同的谐振频率，但Q因子不同，且偏振方向互相垂直。微扰（被探测量）被设计在电导率较低的那一层金属上。仿真结果表明其灵敏度在2.5THz附近可以达到800GHz/单位折射率/微米，远高于目前常见的太赫兹超材料传感器（灵敏度大约是100GHz/单位折射率/微米）。该设计基于两个谐振腔的耦合，灵敏度与微扰的平方根成正比，与理论模型的预测完全一致。

图2.工作在奇异点的太赫兹传感器。两种颜色代表电导率相差较大的两种金属，分别位于介质层的上方和下方，形成双层金属结构