奇點(diǎn)光學(xué)

研究的是光學(xué)領(lǐng)域的“龍卷風(fēng)”

如何在不被干擾

不破壞“風(fēng)眼”這一根本結(jié)構(gòu)的前提下

有效地操縱并利用“龍卷風(fēng)”

是光學(xué)領(lǐng)域科學(xué)家面對(duì)的一大難題

對(duì)此

清華SIGS團(tuán)隊(duì)近期有了新突破

不用開(kāi)啟“抗干擾”模式

也能做到！

宋清華（左二）、李勃（左一）與團(tuán)隊(duì)學(xué)生們（黃尹思 攝）

清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院宋清華副教授、李勃研究員，清華大學(xué)材料學(xué)院周濟(jì)院士，聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授、洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)羅曼·弗勒里（Romain Fleury）副教授的團(tuán)隊(duì)在拓?fù)涔鈱W(xué)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，首次提出一種實(shí)動(dòng)量拓?fù)涔庾泳w的概念，揭示了無(wú)序中穩(wěn)定拓?fù)涞男纬蓹C(jī)制，并實(shí)現(xiàn)了光子晶體的有效信息編碼。

2月26日，相關(guān)研究成果以“無(wú)序輔助的實(shí)動(dòng)量拓?fù)涔庾泳w” (Disorder-assisted real-momentum topological photonic crystal) 為題在線(xiàn)發(fā)表于《自然》（ Nature）期刊。該研究為進(jìn)一步探索光學(xué)領(lǐng)域提供了全新的研究視角，未來(lái)有望用于大容量光通信研究，以及光子芯片、顯示器件、激光等領(lǐng)域。

《自然》網(wǎng)站論文截圖

揭秘：

走近光學(xué)領(lǐng)域的“龍卷風(fēng)”

“我們團(tuán)隊(duì)近期聚焦超構(gòu)表面相關(guān)的研究，也就是在一個(gè)表面上設(shè)計(jì)一些微納結(jié)構(gòu)陣列，用以控制電磁場(chǎng)和光場(chǎng)的傳播。”宋清華表示，團(tuán)隊(duì)的研究主要是利用超構(gòu)表面設(shè)計(jì)光學(xué)奇點(diǎn)。

“所謂‘奇點(diǎn)’，就像宇宙空間中的黑洞，或是龍卷風(fēng)的風(fēng)眼。”宋清華說(shuō)道，“我們都知道風(fēng)眼是氣旋中心天氣十分穩(wěn)定的地帶，是沒(méi)有風(fēng)的，而風(fēng)眼周?chē)鷦t充斥著渦旋狀的極端惡劣天氣。這也類(lèi)似陀螺的原理，其轉(zhuǎn)動(dòng)的軸心就相當(dāng)于光學(xué)中的奇點(diǎn)。”

宋清華強(qiáng)調(diào)，奇點(diǎn)具有非常強(qiáng)的穩(wěn)定性，在光學(xué)概念中至關(guān)重要。“一些特殊光信息的傳輸和存儲(chǔ)就倚靠這個(gè)穩(wěn)定的奇點(diǎn)，沒(méi)有奇點(diǎn)，就相當(dāng)于龍卷風(fēng)沒(méi)有了風(fēng)眼，這場(chǎng)龍卷風(fēng)也就不復(fù)存在了。”

在光學(xué)中，連續(xù)域束縛態(tài)（BIC）就是一種特殊的光學(xué)奇點(diǎn)，其能量被局域化，無(wú)法向外傳播，從而在動(dòng)量空間中形成一個(gè)不輻射、能量?jī)?chǔ)存效率（Q值）無(wú)窮大的偏振奇點(diǎn)，圍繞該奇點(diǎn)的偏振分布具有非平庸的拓?fù)浜伞?/p>

據(jù)團(tuán)隊(duì)主要成員、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院科研助理（現(xiàn)為洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)博士生）秦昊燁介紹，連續(xù)域束縛態(tài)的光能量被完美鎖定在特定結(jié)構(gòu)，如納米光子晶體中。“這種能量既不像普通光波那樣向外擴(kuò)散，也不會(huì)被結(jié)構(gòu)本身吸收。從理論上說(shuō)，連續(xù)域束縛態(tài)就像一個(gè)沒(méi)有能量泄漏的‘完美容器’，其雖在現(xiàn)實(shí)生活或研究中無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但通過(guò)設(shè)計(jì)某些人工結(jié)構(gòu)能接近這種理想狀態(tài)。”

秦昊燁表示，風(fēng)眼周?chē)娘L(fēng)就像光學(xué)中的信息，而拓?fù)湎喈?dāng)于龍卷風(fēng)周?chē)脑苹蚱湫D(zhuǎn)的圈，“不同的拓?fù)浠ゲ桓蓴_，可以在光通信傳輸中形成多個(gè)通道，是光通信傳輸中的重要元素。”

非平庸的拓?fù)浜桑瑒t可以被理解為龍卷風(fēng)的旋轉(zhuǎn)圈次數(shù)，指的是某種穩(wěn)定存在的結(jié)構(gòu)特征，如孔洞、纏繞、漩渦的圈數(shù)等，這種特征無(wú)法通過(guò)平滑的變形消除（比如拉伸、彎曲，但不撕裂或粘合），“就像一根繩子被打了個(gè)死結(jié)，你無(wú)法通過(guò)單一的硬拉動(dòng)作將其解開(kāi)。”秦昊燁介紹道，“好比說(shuō)，‘龍卷風(fēng)’的渦旋轉(zhuǎn)一圈，即拓?fù)浜蔀?。”其在物理學(xué)中常用來(lái)解釋某些材料的奇特穩(wěn)定性或粒子的特殊行為（如拓?fù)浣^緣體的導(dǎo)電表面態(tài)、磁單極子等），因其傳輸中的穩(wěn)定性在光通信等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

矛盾：

一旦“加料”，結(jié)構(gòu)就被破壞

宋清華團(tuán)隊(duì)致力于研究如何在控制光場(chǎng)的同時(shí)保持奇點(diǎn)的穩(wěn)定性，使其不受微擾的影響。研究團(tuán)隊(duì)旨在利用超構(gòu)表面或光子晶體產(chǎn)生奇點(diǎn)，并使其能夠傳輸更多的信息。

而問(wèn)題在于，超構(gòu)表面研究需設(shè)計(jì)微納結(jié)構(gòu)去控制這個(gè)奇點(diǎn)，針對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)的周期性嚴(yán)格排列并進(jìn)行編碼。“這個(gè)編碼的過(guò)程就會(huì)破壞奇點(diǎn)，導(dǎo)致奇點(diǎn)消失，‘風(fēng)’也就沒(méi)了。”

秦昊燁表示，在這個(gè)光學(xué)“龍卷風(fēng)”的渦旋中，一旦摻入雜質(zhì)，信息結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞。“我們把渦旋中的雜質(zhì)稱(chēng)為擾動(dòng)或者叫無(wú)序，也就相當(dāng)于光學(xué)中的額外信息，會(huì)干擾和破壞結(jié)構(gòu)。”

“這就產(chǎn)生了一個(gè)矛盾。”宋清華表示，研究團(tuán)隊(duì)既要保持奇點(diǎn)的穩(wěn)定性，又要傳輸更多的信息，但在傳輸信息的編碼過(guò)程又會(huì)影響奇點(diǎn)，這便是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一大局限。

驚喜：

“擺平”矛盾，從減少干擾到利用干擾

令人驚喜的是，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們可以利用無(wú)序去控制編碼，從而在保持奇點(diǎn)穩(wěn)定性的同時(shí)傳輸更多信息。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種特殊的結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的特殊奇點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)的微擾具有免疫作用，且不會(huì)破壞光學(xué)奇點(diǎn)。

實(shí)-動(dòng)量空間拓?fù)涔庾泳w效果示意圖

連續(xù)域束縛態(tài)對(duì)光能量的“存儲(chǔ)”具有多種模式，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一種特殊的模式，該模式的場(chǎng)分布中也包含一個(gè)拓?fù)淦纥c(diǎn)，且圍繞該奇點(diǎn)的相位也具有非平庸的拓?fù)浜伞＿@種拓?fù)涔舱衲Ｊ?strong>對(duì)結(jié)構(gòu)微擾具有免疫性，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生微小變化時(shí)，由于奇點(diǎn)的拓?fù)浔Ｗo(hù)作用，該共振模式不會(huì)受到影響，從而顯著地提高了連續(xù)域束縛態(tài)奇點(diǎn)的穩(wěn)定性。

秦昊燁介紹道，以往的研究往往致力于避免讓“龍卷風(fēng)”卷入雜質(zhì)，這項(xiàng)創(chuàng)新性研究相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了一種“神奇的渦旋”。“光學(xué)中的信息就好比龍卷風(fēng)的渦旋卷入了許多樹(shù)葉，而這些樹(shù)葉并不會(huì)對(duì)其渦旋結(jié)構(gòu)造成破壞，反而渦旋和樹(shù)葉相互作用，進(jìn)而增加了所傳輸?shù)男畔⒘俊！?/strong>

具有對(duì)結(jié)構(gòu)微擾免疫的拓?fù)涔舱衲Ｊ健Ｆ潆妶?chǎng)分布在結(jié)構(gòu)中心呈現(xiàn)一個(gè)奇點(diǎn)，相位分布具有非平庸拓?fù)浜桑皇芙Y(jié)構(gòu)微擾的影響。

修煉：

不到四年，從《科學(xué)》到《自然》

一切看似“順理成章”的背后，是清華人敢于不斷突破瓶頸的勇氣，也是一次又一次“高原上出高峰”的修煉。

記者從采訪(fǎng)中得知，這并不是宋清華團(tuán)隊(duì)研究的首次重大突破。

宋清華長(zhǎng)期致力于電磁超構(gòu)表面、光子晶體等微納光學(xué)領(lǐng)域的研究，2021年7月從法國(guó)國(guó)家科研中心博士后出站，同年8月加入清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院。剛?cè)肼毑坏揭粋€(gè)月，宋清華博士后期間的研究成果順利發(fā)表，這也是其團(tuán)隊(duì)在拓?fù)涔鈱W(xué)領(lǐng)域研究的首篇《科學(xué)》文章。

《科學(xué)》網(wǎng)站文章截圖

該研究提出一種全新的相位調(diào)控方法，研究了非厄密超構(gòu)表面的拓?fù)湫再|(zhì)，探討了其受拓?fù)浔Ｗo(hù)的360度相位實(shí)現(xiàn)方法。結(jié)果表明，通過(guò)設(shè)計(jì)非厄密拓?fù)涑瑯?gòu)表面，可以產(chǎn)生一個(gè)奇異點(diǎn)。奇異點(diǎn)在光學(xué)當(dāng)中也是一種“龍卷風(fēng)”的“風(fēng)眼”，圍繞這個(gè)“風(fēng)眼”一圈，光的相位可以產(chǎn)生360度的累積。而且這種360度相位累積受該“風(fēng)眼”拓?fù)浔Ｗo(hù)，與所圍繞的路徑無(wú)關(guān)。

宋清華強(qiáng)調(diào)，在一些光場(chǎng)的調(diào)控設(shè)計(jì)，如全息顯示、透鏡、激光雷達(dá)等，都需要360度相位調(diào)控。“目前的相位調(diào)控手段比較有限且設(shè)計(jì)復(fù)雜，我們?cè)谘芯恐刑岢隽艘粋€(gè)新方法：通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)奇點(diǎn)，圍繞該奇點(diǎn)的任意一條路徑都可以累積360度相位。”

宋清華進(jìn)一步解釋道，這一項(xiàng)創(chuàng)新性成果為超構(gòu)表面設(shè)計(jì)提供了諸多便利。“以前如果我們想要獲得360度相位調(diào)控，需要遍歷所有結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)在我們只需要設(shè)計(jì)一個(gè)奇點(diǎn)就行了。”

這種相位調(diào)控方法，通過(guò)圍繞奇點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一周可以實(shí)現(xiàn)全相位調(diào)控，極大地豐富了目前有限的相位調(diào)控手段，有望在光學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)以及量子等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

非厄密超構(gòu)表面受奇異點(diǎn)保護(hù)的拓?fù)湎辔?/p>

2021年9月3日，宋清華以第一作者身份在《科學(xué)》（Science）期刊發(fā)表題為“圍繞奇異點(diǎn)的等離子體拓?fù)涑瑯?gòu)表面” (Plasmonic topological metasurface by encircling an exceptional point) 的文章。

沉浸在喜悅中的宋清華團(tuán)隊(duì)，或許還沒(méi)有想到，當(dāng)時(shí)的這一研究成果成為了后來(lái)《自然》文章順利發(fā)表的重要基石。

“我從博士后時(shí)期便在做奇點(diǎn)方面的研究，此前的研究主要聚焦利用奇點(diǎn)周?chē)墓庑畔⑷プ鼍幋a，但編碼之后奇點(diǎn)已經(jīng)被破壞了。如何在信息編碼的同時(shí)避免受到干擾——這一問(wèn)題引發(fā)了我們后續(xù)的思考。”

雖然此前已有許多研究團(tuán)隊(duì)致力于奇點(diǎn)的研究，但基本都聚焦在如何通過(guò)減少干擾來(lái)維持穩(wěn)定性。而宋清華團(tuán)隊(duì)此次提出的新概念，既能利用干擾去做光場(chǎng)調(diào)控，又能保持其拓?fù)湫再|(zhì)，是一項(xiàng)“從零到一”的研究。

讓團(tuán)隊(duì)感到意外的是，這一次《自然》文章的投稿出奇地順利。

“多數(shù)時(shí)候我們的投稿等待時(shí)間周期長(zhǎng)，中間也可能經(jīng)歷反復(fù)修改，沒(méi)想到這一次審稿反饋非常迅速，修改幅度也不大，或許是因?yàn)檫@項(xiàng)工作確實(shí)挺有意思的吧。”宋清華笑著說(shuō)道。

這一勇闖無(wú)人區(qū)的新發(fā)現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)研究中僅靠減少無(wú)序而保護(hù)奇點(diǎn)穩(wěn)定性的做法，無(wú)疑在光學(xué)領(lǐng)域中邁出了重要一步。

未來(lái)：

從概念到應(yīng)用，繼續(xù)破解更多光學(xué)密碼

宋清華和李勃所在的材料科學(xué)領(lǐng)域，為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院學(xué)科建設(shè)“6+1”主題領(lǐng)域之一，緊密結(jié)合國(guó)家戰(zhàn)略需求，充分發(fā)揮深圳及珠三角產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，突破材料應(yīng)用瓶頸，旨在打造全球功能材料領(lǐng)域的科學(xué)中心，建成國(guó)際一流的新材料研究型和創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)基地，為國(guó)家戰(zhàn)略性新材料發(fā)展提供多學(xué)科交叉融合的人才支撐。

2024年，全院新增三個(gè)學(xué)科進(jìn)入ESI前1%，材料學(xué)科進(jìn)入前1.25‰，創(chuàng)歷史新高。學(xué)院全年共12位教師、13人次入選“全球高被引科學(xué)家”，占全院專(zhuān)職教師總?cè)藬?shù)的5.24%，其中材料科學(xué)領(lǐng)域全職教師共有8位教師、9人次入選。

在這積極向上的學(xué)科團(tuán)隊(duì)氛圍中，宋清華團(tuán)隊(duì)的研究為拓?fù)涔鈱W(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了新的方向，有望推動(dòng)光子芯片等微納光學(xué)器件的發(fā)展，并可應(yīng)用于高穩(wěn)定性高容量的光通信技術(shù)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)光的生成、高維量子糾纏技術(shù)、生物粒子的精細(xì)光學(xué)操控、AR/VR顯示器件等領(lǐng)域。

宋清華（中）、李勃（左二）研究團(tuán)隊(duì)（黃尹思 攝）

未來(lái)，宋清華團(tuán)隊(duì)將持續(xù)深入探索，將概念拓展至谷霍爾效應(yīng)、拓?fù)浣^緣體、非線(xiàn)性拓?fù)涔庠吹阮I(lǐng)域，并探索“時(shí)間-實(shí)空間-動(dòng)量空間”三重拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)，將為拓?fù)涔庾訉W(xué)開(kāi)辟更高維度的調(diào)控自由度。

“目前該成果尚停留在學(xué)術(shù)的概念，未來(lái)我們希望讓其真正落地，應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)中去。”宋清華說(shuō)道，“這項(xiàng)成果有望應(yīng)用于激光、高維量子態(tài)等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)既能穩(wěn)定傳輸、又含有高信息容量的激光通信。”

“超構(gòu)材料是一個(gè)非常‘年輕’的新型研究領(lǐng)域。”李勃說(shuō)道，“超構(gòu)材料領(lǐng)域當(dāng)前正同時(shí)處在基礎(chǔ)研究的爆發(fā)期、產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的萌發(fā)期和國(guó)家戰(zhàn)略介入的機(jī)遇期，具有廣闊的發(fā)展前景。”

李勃表示，超構(gòu)材料在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用有可能推動(dòng)顛覆性技術(shù)的產(chǎn)生，例如為高速發(fā)展的人工智能領(lǐng)域提供新的算力解決方案。“利用超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)光計(jì)算具有低延遲、低能耗、高并行處理能力等潛在優(yōu)勢(shì)，有望為高性能計(jì)算的未來(lái)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)支撐。”

當(dāng)前，作為改革開(kāi)放前沿陣地和科技創(chuàng)新主戰(zhàn)場(chǎng)的深圳市正在全力推進(jìn)建設(shè)人工智能先鋒城市。與此同時(shí)，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院結(jié)合深圳產(chǎn)業(yè)科技優(yōu)勢(shì)，以清華大學(xué)優(yōu)勢(shì)學(xué)科布局凝聚合力，正全力推進(jìn)人工智能重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)，主動(dòng)定義產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展的前沿命題。

在時(shí)代發(fā)展的浪潮中，清華人始終腳踏實(shí)地、勇攀高峰，以自強(qiáng)不息的探索精神開(kāi)拓前沿領(lǐng)域，書(shū)寫(xiě)屬于這個(gè)時(shí)代的創(chuàng)新答卷。宋清華團(tuán)隊(duì)與這場(chǎng)光學(xué)“龍卷風(fēng)”的不解之緣，將在新時(shí)代的產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革中發(fā)展延續(xù)。

《自然》文章“無(wú)序輔助的實(shí)動(dòng)量拓?fù)涔庾泳w”通訊作者為宋清華、仇成偉、羅曼·弗勒里，第一作者為秦昊燁，共同第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2022級(jí)博士生蘇增平和洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)博士后張哲，其他作者還包括周濟(jì)院士、李勃研究員，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2024級(jí)博士生呂文靜、2022級(jí)博士生楊子矜、2022級(jí)碩士生高心越，新加坡國(guó)立大學(xué)陳偉錦博士后和衛(wèi)珩博士，同濟(jì)大學(xué)施宇智教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、深圳市科創(chuàng)委等部門(mén)支持。

團(tuán)隊(duì)相關(guān)研究成果

（按發(fā)表時(shí)間倒序排列）

《自然》（Nature）

“無(wú)序輔助的實(shí)動(dòng)量拓?fù)涔庾泳w” (Disorder-assisted real-momentum topological photonic crystal)

《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）

“磁光連續(xù)域束縛態(tài)的穩(wěn)健圓偏形成機(jī)制” (Robust generation of intrinsic C points with magneto-optical bound states in the continuum)

《自然·通訊》（Nature Communications）

“創(chuàng)建任意偏振控制的雙奇異點(diǎn)：非對(duì)稱(chēng)矢量波前調(diào)制” (Creating Pairs of Exceptional Points for Arbitrary Polarization Control: Asymmetric Vectorial Wavefront Modulation)

《光：科學(xué)和應(yīng)用》（Light：Science & Applications）

“扭曲光子晶體中的任意偏振連續(xù)域束縛態(tài)” (Arbitrarily polarized bound states in the continuum with twisted photonic crystal slabs)

《科學(xué)》（Science）

“圍繞奇異點(diǎn)的等離子體拓?fù)涑瑯?gòu)表面” (Plasmonic topological metasurface by encircling an exceptional point)

突破！清華SIGS宋清華團(tuán)隊(duì)與合作者在拓?fù)涔鈱W(xué)領(lǐng)域取得新進(jìn)展

野火燒不盡，___________

聚焦創(chuàng)新！清華SIGS近期科研成果速遞→

文|葉思佳

素材來(lái)源|秦昊燁、宋清華、李勃

圖片|除特別標(biāo)注外均為受訪(fǎng)者提供

審核|聶曉梅

排版|楊俊