清華SIGS副教授宋清華團隊

聯合新加坡國立大學教授仇成偉

洛桑聯邦理工大學教授

羅曼·弗勒里（Romain Fleury）

在拓撲光學領域取得突破性進展

首次提出一種

實動量拓撲光子晶體的概念

揭示了無序中穩定拓撲的形成機制

并實現了光子晶體的有效信息編碼

相關研究成果于2月26日

以“無序輔助的實動量拓撲光子晶體”為題

在線發表于《自然》期刊

為進一步探索光學領域

提供了全新的研究視角

《自然》（Nature）網站論文截圖

在光學中，連續域束縛態（BIC）是一種特殊的光學奇點，其能量被局域化，無法向外傳播，從而在動量空間中形成一個不輻射、Q值無窮大的偏振奇點，圍繞該奇點的偏振分布具有非平庸的拓撲荷。因此，BIC在渦旋光產生、場增強和高Q值等光學應用中具有廣闊的前景，對拓撲光學領域具有深遠影響。

傳統利用超表面和光子晶體實現的BIC通常依賴于嚴格的周期性結構，結構的無序會破壞周期性，導致BIC退化成準BIC（即QBIC），其拓撲性質也隨之消失。因此，過去關于BIC的研究通常會盡量減輕無序的影響。然而，無序性為結構控制提供了額外的自由度，這在波前調控應用中至關重要。因此，如何在BIC中引入有效的無序信息而不破壞BIC的拓撲特性，成為拓撲光學領域中的一個重要挑戰。

圖1. 實-動量空間拓撲光子晶體效果示意圖

為了解決這一問題，清華大學深圳國際研究生院副教授宋清華團隊聯合新加坡國立大學教授仇成偉、洛桑聯邦理工大學教授羅曼·弗勒里（Romain Fleury），首次提出了一種實動量拓撲光子晶體的概念（圖1）。該研究提出了無序輔助的實動量拓撲光子晶體，為拓撲光學領域的應用開辟了新的方向，這一創新性研究有望推動光子芯片等微納光學器件的發展，并可應用于高穩定性高容量的光通信技術、復雜結構光的生成、高維量子糾纏技術、生物粒子的精細光學操控、AR/VR顯示器件等領域。

研究發現，光子晶體中存在一種特殊的BIC共振模式，該模式的場分布中也包含一個拓撲奇點，且圍繞該奇點的相位具有非平庸的拓撲荷。這種拓撲共振模式對結構微擾具有免疫性，當結構發生微小變化時，由于奇點的拓撲保護作用，該共振模式不會受到影響（圖2），從而顯著地提高了BIC的穩定性。該拓撲光子晶體的BIC動量空間拓撲奇點與實空間中的幾何相位分布共存，后者可用來引入無序狀態，從而編碼額外的波前調控信息。

圖2. 具有對結構微擾免疫的拓撲共振模式。其電場分布在結構中心呈現一個奇點，相位分布具有非平庸拓撲荷，不受結構微擾的影響。

作為概念驗證，研究團隊通過在實空間中旋轉超表面結構引入幾何相位，利用兩個空間中的雙重拓撲荷，成功實現了具有嵌套圖案和高維拓撲荷的實-動量雙渦旋。此外，該研究還將全息圖像編碼到幾何相位中，并通過實驗驗證，成功恢復了高質量的超構全息圖和動量渦旋光束（圖3）。動量奇點的色散特性以及幾何相位的寬帶工作特性，使得兩個空間能夠實現波長控制的分離和重組，從而提供更高的可調性和信息容量。

圖3. BIC處實現波前調控。通過幾何相位編碼形成的全息圖具有寬帶特性（上），而由BIC拓撲產生的渦旋光具有窄帶特性。

相關研究成果以“無序輔助的實動量拓撲光子晶體” (Disorder-assisted real-momentum topological photonic crystal) 為題在線發表在《自然》（Nature）期刊上。

本文通訊作者為宋清華、仇成偉、羅曼·弗勒里。第一作者為清華大學深圳國際研究生院科研助理秦昊燁（現為洛桑聯邦理工大學博士生），清華大學深圳國際研究生院2022級博士生蘇增平和洛桑聯邦理工大學博士后張哲為論文共同第一作者，其他作者還包括清華大學周濟院士，清華大學深圳國際研究生院李勃研究員、2024級博士生呂文靜、2022級博士生楊子矜、2022級碩士生高心越，新加坡國立大學陳偉錦博士后和衛珩博士，同濟大學施宇智教授。該工作得到了國家自然科學基金委、深圳市科創委等部門支持。

論文鏈接：

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文|秦昊燁

編輯|葉思佳

題圖設計|劉雨嘉、戴雨靜

審核|聶曉梅

排版|王一民