微波腔自旋电子（Spin Cavitronics）学是一门融合了腔量子电动力学和自旋电子学两大领域的新性交叉学科，利用极低耗散的铁磁绝缘体与微波腔中的光子发生共振耦合形成的腔磁光极化子（Cavity Magnon Polariton）包含了自旋方向和光子数目的纠缠态，结合自旋相干时间长的特点，对未来量子计算和量子网络的发展有着广阔的应用前景。

另一方面，高灵敏度的磁力计广泛应用于各个领域，寻求一种固态，室温和超高灵敏度的磁力计是一项非常重要而具有挑战性的课题。在量子力学中，所有可观测物理量由厄米算符表示，从而保证系统哈密顿量的本征值为实数。然而，存在另一类算符，它们并不具有厄米性，而是满足宇称-时间-对称性（parity-time symmetry），这类非厄米哈密顿量在某个参数控制的EP（exceptional point，例外点）以下仍然可以呈现出实数本征值。在EP点，所有的本征值和本征态同时发生简并，而本征值的数目N，决定了EP点的阶数N。非厄米微扰理论表明，本征值在EP点附近随外界扰动є的改变遵循є^1/N，因此非厄米简并能够极大的增强系统的灵敏度。目前，PT-对称性在各个领域均有研究报导，比如量子力学、光学、声学、电子学，以及最近的自旋电子学，然而对于腔磁光极化子系统，还未有相关的研究报导。我们可以利用PT-对称性磁光极化子系统在EP点的简并性质，寻求一种室温，固态条件下，微波-太赫兹波段的超高灵敏度磁力计。

我们考虑一个三粒子（玻色子）相互作用的系统，包含两个具有PT-对称性的磁振子，具有互为补偿的能量损耗和增益，同时和微波共振腔中的单光子发生相互作用。我们的结果显示，该系统存在3阶EP点，该系统的透射谱具有“Z”型的明显特征，这区别于传统磁光极化子所对应的反交叉透射谱。在PT-对称性区域，系统存在一个线宽极小的暗态。当系统随参数演化到EP3点时，透射谱呈现出阶梯函数的形式，我们在该点定义了磁灵敏度，并验证了其随外磁场的响应满足立方函数关系，我们所估算的磁灵敏度可达到1fT/Hz^1/2. 最后在PT-对称性破缺区域，系统呈现出Purcell式的透射谱，此时的谱线宽会有一个明显的增大。

我们还提出了相应的实验方案，可将两层具有相等量耗散-增益的磁性双层结构放置在微波腔体中，观察其透射谱。考虑到磁性增益的实现难度，我们还提出了可以构造具有PT-对称性的电路与磁性体耦合的方式来实现相应的三阶EP点和磁性灵敏度的方案。

该工作得到了国家自然科学基金委，科技部国家重点研发计划的资助。

论文链接：Phys. Rev. B 99, 214415 (2019)