中國教育在線
近日
清華大(da)學深(shen)圳國際研究(jiu)生院
宋清華副教(jiao)授、李勃研究員
清華大學材料學院周(zhou)濟院士
與(yu)合作者在拓撲光學領域
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(xu)中穩(wen)定拓撲的形成(cheng)機制(zhi)
并實現了(le)光子(zi)晶體的有效(xiao)信息編碼
相關研究成果以
“無序輔助的實動(dong)量拓撲光子晶體”
為題
在(zai)線發表于《自然》(Nature)
為進一步探索光學(xue)領域
提供了全新的研究視(shi)角(jiao)
《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(er)在動量空間中形(xing)成一個
不輻射、Q值無窮大的偏(pian)振奇(qi)點(dian)
圍繞該(gai)奇點的偏(pian)振分布
具有非平庸的拓撲荷
因此
BIC在(zai)渦(wo)旋光產生、場增(zeng)強
和高Q值等光學應用中
具有廣闊的前景
對(dui)拓撲光學(xue)領域具有(you)深遠(yuan)影響
傳統利用超表面
和光子晶體實現(xian)的BIC
通常依(yi)賴于(yu)嚴格的周期性結(jie)構
結構的(de)無序會破壞(huai)周(zhou)期性
導致BIC退(tui)化(hua)成準BIC(即QBIC)
其(qi)拓(tuo)撲(pu)性質(zhi)也隨之消失
因而
過去關于BIC的研(yan)究
通常(chang)會(hui)盡量(liang)減(jian)輕無序的影(ying)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(zhong)至關重(zhong)要
所以
如(ru)何在BIC中引入有效(xiao)的無序信息
而不破壞BIC的(de)拓撲特(te)性
成為拓撲(pu)光學領域中的(de)一個重要挑戰(zhan)
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(hua)大(da)學深圳國際(ji)研究生院
宋清華副教授團隊
聯合新(xin)加坡(po)國立(li)大學仇成偉教授
洛桑聯邦理工大學
羅曼·弗勒里(Romain Fleury)教授
首次提出了一種實動量拓撲光子晶體的概(gai)念(nian)
該研究提出了
無序輔助的實動量拓撲光子晶體
為(wei)拓撲光學(xue)領域的應用(yong)開辟(pi)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(bing)可應用于高穩定性高容量(liang)的光通信技術
復雜結構(gou)光的生(sheng)成、高(gao)維量子(zi)糾纏技術
生物粒子的精(jing)細(xi)光學操控
AR/VR顯(xian)示(shi)器件等(deng)多個領(ling)域
研究發現
光(guang)子晶體(ti)中(zhong)存在一(yi)種特殊的BIC共振(zhen)模(mo)式
該模(mo)式的場分(fen)布中(zhong)也包含一(yi)個拓撲奇點(dian)
且圍繞該奇點的相位
具有非平庸的拓撲荷
這種拓(tuo)撲共振模式對(dui)結構微擾具有免疫性
當結(jie)構(gou)發生微(wei)小變化時
由于奇點(dian)的拓撲保(bao)護作用
該(gai)共振模式(shi)不(bu)會受到影響
從而顯著(zhu)地提(ti)高了(le)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(jian)中的幾何相位分布共存
后(hou)者可用來(lai)引入無(wu)序狀態
從而編(bian)碼額外的(de)波(bo)前調控(kong)信息
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(yan)究團隊通過(guo)在實空間中旋(xuan)轉超(chao)表(biao)面結構
引入幾何相位
利用兩(liang)個空間(jian)中的雙重拓撲荷
成功實現了
具有嵌套圖案和高維拓(tuo)撲荷的(de)
實-動量雙渦旋
此外
該研究(jiu)還將全息圖像編碼到幾何相位(wei)中
并通過實驗驗證
成功恢復了
高質量(liang)的超(chao)構全息圖和(he)動量(liang)渦旋光束
動量奇點的色散特性
以(yi)及幾何相位的寬(kuan)帶工(gong)作特性
使得兩個空(kong)間能(neng)夠實(shi)現
波長(chang)控(kong)制的分離和重組(zu)
從而提供更高的可(ke)調性和信息容量
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
宋清華、仇成偉、羅曼(man)·弗勒里為論(lun)(lun)文的通訊作(zuo)者(zhe)，深(shen)圳國際研究生(sheng)院(yuan)科(ke)研助理(li)秦昊燁(現為洛桑聯邦理(li)工大(da)學博(bo)士生(sheng))為論(lun)(lun)文第(di)(di)一(yi)作(zuo)者(zhe)，深(shen)圳國際研究生(sheng)院(yuan)2022級博(bo)士生(sheng)蘇增(zeng)平和洛桑聯邦理(li)工大(da)學博(bo)士后張哲為論(lun)(lun)文共同第(di)(di)一(yi)作(zuo)者(zhe)。
論文鏈接：
//www.nature.com/articles/s41586-025-08632-9
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