摘要：奇点光学研究的是光学领域的“龙卷风”，如何在不被干扰、不破坏“风眼”这一根本结构的前提下，有效地操纵并利用“龙卷风”，是光学领域科学家面对的一大难题——清华SIGS团队有了新突破，不用开启“抗干扰”模式也能做到，相关研究成果近日以“无序辅助的实动量拓扑光子晶体

奇点光学研究的是光学领域的“龙卷风”，如何在不被干扰、不破坏“风眼”这一根本结构的前提下，有效地操纵并利用“龙卷风”，是光学领域科学家面对的一大难题——清华SIGS团队有了新突破，不用开启“抗干扰”模式也能做到，相关研究成果近日以“无序辅助的实动量拓扑光子晶体” (Disorder-assisted real-momentum topological photonic crystal) 为题在线发表于《自然》期刊。

该成果展示了清华大学深圳国际研究生院宋清华副教授、李勃研究员，清华大学材料学院周济院士，联合新加坡国立大学仇成伟教授、洛桑联邦理工大学罗曼·弗勒里（Romain Fleury）副教授的团队在拓扑光学领域取得突破性进展，其首次提出的一种实动量拓扑光子晶体概念，揭示了无序中稳定拓扑的形成机制，并实现了光子晶体的有效信息编码。该研究为进一步探索光学领域提供了全新的研究视角，未来有望用于大容量光通信研究，以及光子芯片、显示器件、激光等领域。

《自然》网站论文截图

揭秘：走近光学领域的“龙卷风”

宋清华介绍，“团队研究主要是利用超构表面设计光学奇点。所谓‘奇点’，就像宇宙空间中的黑洞，或是龙卷风的风眼。我们都知道风眼是气旋中心天气十分稳定的地带，是没有风的，而风眼周围则充斥着涡旋状的极端恶劣天气。这也类似陀螺的原理，其转动的轴心就相当于光学中的奇点。”他强调，奇点具有非常强的稳定性，一些特殊光信息的传输和存储就倚靠这个稳定的奇点，没有奇点，就相当于龙卷风没有了风眼，这场龙卷风也就不复存在了。

宋清华（左二）、李勃（左一）与团队学生们（黄尹思 摄）

在光学中，连续域束缚态（BIC）就是一种特殊的光学奇点，其能量被局域化，无法向外传播，从而在动量空间中形成一个不辐射、能量储存效率（Q值）无穷大的偏振奇点，围绕该奇点的偏振分布具有非平庸的拓扑荷。

据团队主要成员、清华大学深圳国际研究生院科研助理（现为洛桑联邦理工大学博士生）秦昊烨介绍，连续域束缚态的光能量被完美锁定在特定结构，如纳米光子晶体中。“这种能量既不像普通光波那样向外扩散，也不会被结构本身吸收。从理论上说，连续域束缚态就像一个没有能量泄漏的‘完美容器’，其虽在现实生活或研究中无法实现，但通过设计某些人工结构能接近这种理想状态。”

秦昊烨表示，风眼周围的风就像光学中的信息，而拓扑相当于龙卷风周围的云或其旋转的圈，“不同的拓扑互不干扰，可以在光通信传输中形成多个通道，是光通信传输中的重要元素。”

非平庸的拓扑荷，则可以被理解为龙卷风的旋转圈次数，指的是某种稳定存在的结构特征，如孔洞、缠绕、漩涡的圈数等，这种特征无法通过平滑的变形消除（比如拉伸、弯曲，但不撕裂或粘合），“就像一根绳子被打了个死结，你无法通过单一的硬拉动作将其解开。”秦昊烨介绍道，“好比说，‘龙卷风’的涡旋转一圈，即拓扑荷为1。”其在物理学中常用来解释某些材料的奇特稳定性或粒子的特殊行为，如拓扑绝缘体的导电表面态、磁单极子等，因其传输中的稳定性在光通信等领域被广泛应用。

矛盾：一旦“加料”，结构就被破坏

宋清华团队致力于研究如何在控制光场的同时保持奇点的稳定性，使其不受微扰的影响。研究团队旨在利用超构表面或光子晶体产生奇点，并使其能够传输更多的信息。

而问题在于，超构表面研究需设计微纳结构去控制这个奇点，针对每个结构的周期性严格排列并进行编码。“这个编码的过程就会破坏奇点，导致奇点消失，‘风’也就没了。”

秦昊烨表示，在这个光学“龙卷风”的涡旋中，一旦掺入杂质，信息结构就会被破坏。“我们把涡旋中的杂质称为扰动或者叫无序，也就相当于光学中的额外信息，会干扰和破坏结构。”

“这就产生了一个矛盾。”宋清华表示，研究团队既要保持奇点的稳定性，又要传输更多的信息，但在传输信息的编码过程又会影响奇点，这便是传统设计中的一大局限。

惊喜：“摆平”矛盾，从减少干扰到利用干扰

令人惊喜的是，团队发现他们可以利用无序去控制编码，从而在保持奇点稳定性的同时传输更多信息。团队设计了一种特殊的结构，其产生的特殊奇点对结构的微扰具有免疫作用，且不会破坏光学奇点。

实-动量空间拓扑光子晶体效果示意图

连续域束缚态对光能量的“存储”具有多种模式，研究团队发现一种特殊的模式，该模式的场分布中也包含一个拓扑奇点，且围绕该奇点的相位也具有非平庸的拓扑荷。这种拓扑共振模式对结构微扰具有免疫性，当结构发生微小变化时，由于奇点的拓扑保护作用，该共振模式不会受到影响，从而显著地提高了连续域束缚态奇点的稳定性。

秦昊烨介绍道，以往的研究往往致力于避免让“龙卷风”卷入杂质，这项创新性研究相当于实现了一种“神奇的涡旋”。“光学中的信息就好比龙卷风的涡旋卷入了许多树叶，而这些树叶并不会对其涡旋结构造成破坏，反而涡旋和树叶相互作用，进而增加了所传输的信息量。”

具有对结构微扰免疫的拓扑共振模式。其电场分布在结构中心呈现一个奇点，相位分布具有非平庸拓扑荷，不受结构微扰的影响。

修炼：不到四年，从《科学》到《自然》

记者从采访中得知，这并不是宋清华团队研究的首次重大突破。宋清华长期致力于电磁超构表面、光子晶体等微纳光学领域的研究，2021年7月从法国国家科研中心博士后出站，同年8月加入清华大学深圳国际研究生院。刚入职不到一个月，宋清华博士后期间的研究成果顺利发表，这也是其团队在拓扑光学领域研究的首篇《科学》文章。

2021年9月3日，宋清华以第一作者身份在《科学》（Science）期刊发表题为“围绕奇异点的等离子体拓扑超构表面” (Plasmonic topological metasurface by encircling an exceptional point) 的文章。当时的这一研究成果，成为后来《自然》文章顺利发表的重要基石。

《科学》网站论文截图

非厄密超构表面受奇异点保护的拓扑相位

虽然此前已有许多研究团队致力于奇点的研究，但基本都聚焦在如何通过减少干扰来维持稳定性。而宋清华团队此次提出的新概念，既能利用干扰去做光场调控，又能保持其拓扑性质，是一项“从零到一”的研究。这一勇闯无人区的新发现，打破了传统研究中仅靠减少无序而保护奇点稳定性的做法，无疑在光学领域中迈出了重要一步。

未来：从概念到应用，继续破解更多光学密码

宋清华和李勃所在的材料科学领域，为清华大学深圳国际研究生院学科建设“6+1”主题领域之一，紧密结合国家战略需求，充分发挥深圳及珠三角产业优势，突破材料应用瓶颈，旨在打造全球功能材料领域的科学中心，建成国际一流的新材料研究型和创业型人才培养基地，为国家战略性新材料发展提供多学科交叉融合的人才支撑。

2024年，全院新增三个学科进入ESI前1%，材料学科进入前1.25‰，创历史新高。学院全年共12位教师、13人次入选“全球高被引科学家”，占全院专职教师总人数的5.24%，其中材料科学领域全职教师共有8位教师、9人次入选。

在这积极向上的学科团队氛围中，宋清华团队的研究为拓扑光学领域的应用开辟了新的方向，有望推动光子芯片等微纳光学器件的发展，并可应用于高稳定性高容量的光通信技术、复杂结构光的生成、高维量子纠缠技术、生物粒子的精细光学操控、AR/VR显示器件等领域。

宋清华（中）、李勃（左二）研究团队（黄尹思 摄）

宋清华介绍，团队未来将持续深入探索，将概念拓展至谷霍尔效应、拓扑绝缘体、非线性拓扑光源等领域，并探索“时间-实空间-动量空间”三重拓扑的实现，将为拓扑光子学开辟更高维度的调控自由度。“这项成果有望应用于激光、高维量子态等领域，实现既能稳定传输、又含有高信息容量的激光通信。”

李勃表示，超构材料是一个非常“年轻”的新型研究领域，当前正同时处在基础研究的爆发期、产业技术发展的萌发期和国家战略介入的机遇期，具有广阔发展前景，其应用广泛，如，可为高速发展的人工智能领域提供新的算力解决方案等，在众多领域都可能推动颠覆性技术的产生。

来源：深圳特区报