清華新聞網(wǎng)2月27日電 在光學(xué)中，連續(xù)域束縛態(tài)（BIC）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、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?。因此，BIC在渦旋光產(chǎn)生、場(chǎng)增強(qiáng)和高Q值等光學(xué)應(yīng)用中具有廣闊的前景，對(duì)拓?fù)涔鈱W(xué)領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)影響。
傳統(tǒng)利用超表面和光子晶體實(shí)現(xiàn)的BIC通常依賴(lài)于嚴(yán)格的周期性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的無(wú)序會(huì)破壞周期性，導(dǎo)致BIC退化成準(zhǔn)BIC（即QBIC），其拓?fù)湫再|(zhì)也隨之消失。因此，過(guò)去關(guān)于BIC的研究通常會(huì)盡量減輕無(wú)序的影響。然而，無(wú)序性為結(jié)構(gòu)控制提供了額外的自由度，這在波前調(diào)控應(yīng)用中至關(guān)重要。因此，如何在BIC中引入有效的無(wú)序信息而不破壞BIC的拓?fù)涮匦?，成為拓?fù)涔鈱W(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。
圖1.實(shí)-動(dòng)量空間拓?fù)涔庾泳w效果示意圖
為了解決這一問(wèn)題，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授宋清華團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)教授仇成偉、洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)教授羅曼·弗勒里（Romain Fleury），首次提出了一種實(shí)動(dòng)量拓?fù)涔庾泳w的概念（圖1）。該研究提出了無(wú)序輔助的實(shí)動(dòng)量拓?fù)涔庾泳w，為拓?fù)涔鈱W(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了新的方向，這一創(chuàng)新性研究有望推動(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。
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(chǎng)分布中也包含一個(gè)拓?fù)淦纥c(diǎn)，且圍繞該奇點(diǎn)的相位具有非平庸的拓?fù)浜?。這種拓?fù)涔舱衲Ｊ綄?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（圖2），從而顯著地提高了BIC的穩(wěn)定性。該拓?fù)涔庾泳w的BIC動(dòng)量空間拓?fù)淦纥c(diǎn)與實(shí)空間中的幾何相位分布共存，后者可用來(lái)引入無(wú)序狀態(tài)，從而編碼額外的波前調(diào)控信息。
圖2.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
作為概念驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在實(shí)空間中旋轉(zhuǎn)超表面結(jié)構(gòu)引入幾何相位，利用兩個(gè)空間中的雙重拓?fù)浜?，成功?shí)現(xiàn)了具有嵌套圖案和高維拓?fù)浜傻膶?shí)-動(dòng)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成功恢復(fù)了高質(zhì)量的超構(gòu)全息圖和動(dòng)量渦旋光束（圖3）。動(dòng)量奇點(diǎn)的色散特性以及幾何相位的寬帶工作特性，使得兩個(gè)空間能夠?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)波前調(diào)控。通過(guò)幾何相位編碼形成的全息圖具有寬帶特性（上），而由BIC拓?fù)洚a(chǎn)生的渦旋光具有窄帶特性
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）。
宋清華、仇成偉、羅曼·弗勒里為論文通訊作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院科研助理秦昊燁（現(xiàn)為洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)博士生）為論文第一作者，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)博士后張哲為論文共同第一作者。其他作者還包括清華大學(xué)周濟(jì)院士，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院李勃研究員、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。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08632-9
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
封面圖設(shè)計(jì)：賀茂藤
審核：郭玲
