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清華SIGS副教授宋清華團隊聯(lián)合新加坡國立大學教授仇成偉，洛桑聯(lián)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(wěn)定拓撲的形成機制，并實現(xiàn)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(fā)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(wǎng)站論文截圖

在光學中，連續(xù)域束縛態(tài)（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(chǎn)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(tǒng)利用超表面和光子晶體實現(xiàn)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(zhì)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(diào)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(zhàn)。

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(lián)合新加坡國立大學教授仇成偉、洛桑聯(lián)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(chuàng)新性研究有望推動光子芯片等微納光學器件的發(fā)展，并可應用于高穩(wěn)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(fā)現(xiàn)，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(fā)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(wěn)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(tài)，從而編碼額外的波前調(diào)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(xiàn)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(xiàn)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(zhì)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(xiàn)波長控制的分離和重組，從而提供更高的可調(diào)性和信息容量。

圖3. BIC處實現(xiàn)波前調(diào)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(chǎn)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(fā)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(xiàn)為洛桑聯(lián)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(lián)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(wèi)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(chuàng)委等部門支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08632-9