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)家面對的一大難題。
對此,，清華團(tuán)隊(duì)近期有了新突破：不用開啟“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)動量拓?fù)涔庾泳w的概念,，揭示了無序中穩(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“無序輔助的實(shí)動量拓?fù)涔庾泳w”（Disorder-assisted real-momentum topological photonic crystal）為題在線發(fā)表于《自然》（Nature）雜志,。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,，也就是在一個表面上設(shè)計(jì)一些微納結(jié)構(gòu)陣列，用以控制電磁場和光場的傳播,?！彼吻迦A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?！彼吻迦A說道,，“我們都知道風(fēng)眼是氣旋中心天氣十分穩(wěn)定的地帶，是沒有風(fēng)的,，而風(fēng)眼周圍則充斥著渦旋狀的極端惡劣天氣,。這也類似陀螺的原理，其轉(zhuǎn)動的軸心就相當(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?！耙恍┨厥夤庑畔⒌膫鬏敽痛鎯鸵锌窟@個穩(wěn)定的奇點(diǎn),，沒有奇點(diǎn)，就相當(dāng)于龍卷風(fēng)沒有了風(fēng)眼,，這場龍卷風(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，無法向外傳播,，從而在動量空間中形成一個不輻射,、能量儲存效率（Q值）無窮大的偏振奇點(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,?！斑@種能量既不像普通光波那樣向外擴(kuò)散，也不會被結(jié)構(gòu)本身吸收,。從理論上說,，連續(xù)域束縛態(tài)就像一個沒有能量泄漏的‘完美容器’，其雖在現(xiàn)實(shí)生活或研究中無法實(shí)現(xiàn),，但通過設(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)眼周圍的風(fēng)就像光學(xué)中的信息,，而拓?fù)湎喈?dāng)于龍卷風(fēng)周圍的云或其旋轉(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通道,，是光通信傳輸中的重要元素,。”
非平庸的拓?fù)浜?，則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，這種特征無法通過平滑的變形消除（比如拉伸,、彎曲,，但不撕裂或粘合），“就像一根繩子被打了個死結(jié),，你無法通過單一的硬拉動作將其解開,。”秦昊燁介紹道,，“好比說,，‘龍卷風(fēng)’的渦旋轉(zhuǎn)一圈，即拓?fù)浜蔀?,?！逼湓谖锢韺W(xué)中常用來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的同時保持奇點(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)去控制這個奇點(diǎn)，針對每個結(jié)構(gòu)的周期性嚴(yán)格排列并進(jìn)行編碼,?！斑@個編碼的過程就會破壞奇點(diǎn)，導(dǎo)致奇點(diǎn)消失,，‘風(fēng)’也就沒了,。”
秦昊燁表示,，在這個光學(xué)“龍卷風(fēng)”的渦旋中,，一旦摻入雜質(zhì),，信息結(jié)構(gòu)就會被破壞?！拔覀儼褱u旋中的雜質(zhì)稱為擾動或者叫無序,，也就相當(dāng)于光學(xué)中的額外信息，會干擾和破壞結(jié)構(gòu),?！?/p>
“這就產(chǎn)生了一個矛盾?！彼吻迦A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程又會影響奇點(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)他們可以利用無序去控制編碼,，從而在保持奇點(diǎn)穩(wěn)定性的同時傳輸更多信息,。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)對結(jié)構(gòu)的微擾具有免疫作用,，且不會破壞光學(xué)奇點(diǎn),。
實(shí)-動量空間拓?fù)涔庾泳w效果示意圖
連續(xù)域束縛態(tài)對光能量的“存儲”具有多種模式，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一種特殊的模式,，該模式的場分布中也包含一個拓?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綄Y(jié)構(gòu)微擾具有免疫性,，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生微小變化時,，由于奇點(diǎn)的拓?fù)浔Ｗo(hù)作用，該共振模式不會受到影響,，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葉,，而這些樹葉并不會對其渦旋結(jié)構(gòu)造成破壞,，反而渦旋和樹葉相互作用，進(jìn)而增加了所傳輸?shù)男畔⒘??！?/p>
具有對結(jié)構(gòu)微擾免疫的拓?fù)涔舱衲Ｊ?。其電場分布在結(jié)構(gòu)中心呈現(xiàn)一個奇點(diǎn)，相位分布具有非平庸拓?fù)浜?，不受結(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,。
事實(shí)上，這并不是宋清華團(tuán)隊(duì)研究的首次重大突破,。
宋清華長期致力于電磁超構(gòu)表面,、光子晶體等微納光學(xué)領(lǐng)域的研究，2021年7月從法國國家科研中心博士后出站,，同年8月加入清華大學(xué)深圳國際研究生院,。剛?cè)肼毑坏揭粋€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，通過設(shè)計(jì)非厄密拓?fù)涑瑯?gòu)表面,，可以產(chǎn)生一個奇異點(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“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)，與所圍繞的路徑無關(guān),。
宋清華強(qiáng)調(diào),，在一些光場的調(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,?！澳壳暗南辔徽{(diào)控手段比較有限且設(shè)計(jì)復(fù)雜，我們在研究中提出了一個新方法：通過設(shè)計(jì)一個奇點(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,?！耙郧叭绻覀兿胍@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)一個奇點(diǎn)就行了,。”
這種相位調(diào)控方法,，通過圍繞奇點(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）雜志發(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),，或許還沒有想到,，當(dāng)時的這一研究成果成為了后來《自然》文章順利發(fā)表的重要基石。
“我從博士后時期便在做奇點(diǎn)方面的研究,，此前的研究主要聚焦利用奇點(diǎn)周圍的光信息去做編碼,，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避免受到干擾——這一問題引發(fā)了我們后續(xù)的思考,?！?/p>
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減少干擾來維持穩(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)時候我們的投稿等待時間周期長，中間也可能經(jīng)歷反復(fù)修改,，沒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,?！彼吻迦A笑著說道。
這一勇闖無人區(qū)的新發(fā)現(xiàn),，打破了傳統(tǒng)研究中僅靠減少無序而保護(hù)奇點(diǎn)穩(wěn)定性的做法,，無疑在光學(xué)領(lǐng)域中邁出了重要一步,。
未來：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)合國家戰(zhàn)略需求，充分發(fā)揮深圳及珠三角產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢,，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)用開辟了新的方向,，有望推動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，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、非線性拓?fù)涔庠吹阮I(lǐng)域,，并探索“時間-實(shí)空間-動量空間”三重拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn),，將為拓?fù)涔庾訉W(xué)開辟更高維度的調(diào)控自由度。
“目前該成果尚停留在學(xué)術(shù)的概念,，未來我們希望讓其真正落地,，應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)中去?！彼吻迦A說道,，“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)材料是一個非?！贻p’的新型研究領(lǐng)域,。”李勃說道,，“超構(gòu)材料領(lǐng)域當(dāng)前正同時處在基礎(chǔ)研究的爆發(fā)期,、產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的萌發(fā)期和國家戰(zhàn)略介入的機(jī)遇期，具有廣闊的發(fā)展前景,?！?/p>
李勃表示，超構(gòu)材料在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用有可能推動顛覆性技術(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，有望為高性能計(jì)算的未來發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)支撐,?！?/p>
當(dāng)前，作為改革開放前沿陣地和科技創(chuàng)新主戰(zhàn)場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,，清華大學(xué)深圳國際研究生院結(jié)合深圳產(chǎn)業(yè)科技優(yōu)勢，以清華大學(xué)優(yōu)勢學(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),，主動定義產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展的前沿命題,。
在時代發(fā)展的浪潮中,，清華人始終腳踏實(shí)地、勇攀高峰,，以自強(qiáng)不息的探索精神開拓前沿領(lǐng)域,，書寫屬于這個時代的創(chuàng)新答卷。 宋清華團(tuán)隊(duì)與這場光學(xué)“龍卷風(fēng)”的不解之緣,，將在新時代的產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革中發(fā)展延續(xù),。
《自然》文章“無序輔助的實(shí)動量拓?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)深圳國際研究生院2022級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)深圳國際研究生院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(xué)陳偉錦博士后和衛(wèi)珩博士，同濟(jì)大學(xué)施宇智教授,。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委,、深圳市科創(chuàng)委等部門支持。
團(tuán)隊(duì)相關(guān)研究成果（按發(fā)表時間倒序排列）
“無序輔助的實(shí)動量拓?fù)涔庾泳w”（Disorder-assisted real-momentum topological photonic crystal）
《自然》（Nature）
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08632-9
“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）
《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）
https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.ads0157
“創(chuàng)建任意偏振控制的雙奇異點(diǎn)：非對稱矢量波前調(diào)制”（Creating Pairs of Exceptional Points for Arbitrary Polarization Control: Asymmetric Vectorial Wavefront Modulation）
《自然·通訊》（Nature Communications）
https://www.nature.com/articles/s41467-023-44428-z
“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）
《光：科學(xué)和應(yīng)用》（Light：Science & Applications）
https://www.nature.com/articles/s41377-023-01090-w
“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)
《科學(xué)》（Science）
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abj3179
供稿：深圳國際研究生院
文字：葉思佳
編輯：李華山
審核：郭玲
