奇點光學(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，清華團隊近期有了新突破：不用開啟“抗干擾”模式，也能做到！
宋清華（左二）、李勃（左一）與團隊學(xué)生們。
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）副教授的團隊在拓撲光學(xué)領(lǐng)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。
2月26日，相關(guān)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)表于《自然》（Nature）雜志。該研究為進一步探索光學(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)”
“我們團隊近期聚焦超構(gòu)表面相關(guān)的研究，也就是在一個表面上設(shè)計一些微納結(jié)構(gòu)陣列，用以控制電磁場和光場的傳播。”宋清華表示，團隊的研究主要是利用超構(gòu)表面設(shè)計光學(xué)奇點。
“所謂‘奇點’，就像宇宙空間中的黑洞，或是龍卷風(fēng)的風(fēng)眼。”宋清華說道，“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。”
宋清華強調(diào)，奇點具有非常強的穩(wěn)定性，在光學(xué)概念中至關(guān)重要。“一些特殊光信息的傳輸和存儲就倚靠這個穩(wěn)定的奇點，沒有奇點，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，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，圍繞該奇點的偏振分布具有非平庸的拓撲荷。
據(jù)團隊主要成員、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。“這種能量既不像普通光波那樣向外擴散，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)實生活或研究中無法實現(xiàn)，但通過設(shè)計某些人工結(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，而拓撲相當(dāng)于龍卷風(fēng)周圍的云或其旋轉(zhuǎn)的圈，“不同的拓撲互不干擾，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。”
非平庸的拓撲荷，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，即拓撲荷為1。”其在物理學(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（如拓撲絕緣體的導(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
宋清華團隊致力于研究如何在控制光場的同時保持奇點的穩(wěn)定性，使其不受微擾的影響。研究團隊旨在利用超構(gòu)表面或光子晶體產(chǎn)生奇點，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)計微納結(jié)構(gòu)去控制這個奇點，針對每個結(jié)構(gòu)的周期性嚴格排列并進行編碼。“這個編碼的過程就會破壞奇點，導(dǎo)致奇點消失，‘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。“我們把渦旋中的雜質(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)。”
“這就產(chǎn)生了一個矛盾。”宋清華表示，研究團隊既要保持奇點的穩(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，這便是傳統(tǒng)設(shè)計中的一大局限。
驚喜：“擺平”矛盾，從減少干擾到利用干擾
令人驚喜的是，團隊發(fā)現(xiàn)他們可以利用無序去控制編碼，從而在保持奇點穩(wěn)定性的同時傳輸更多信息。團隊設(shè)計了一種特殊的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的特殊奇點對結(jié)構(gòu)的微擾具有免疫作用，且不會破壞光學(xué)奇點。
實-動量空間拓撲光子晶體效果示意圖。
連續(xù)域束縛態(tài)對光能量的“存儲”具有多種模式，研究團隊發(fā)現(xiàn)一種特殊的模式，該模式的場分布中也包含一個拓撲奇點，且圍繞該奇點的相位也具有非平庸的拓撲荷。這種拓撲共振模式對結(jié)構(gòu)微擾具有免疫性，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生微小變化時，由于奇點的拓撲保護作用，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)，這項創(chuàng)新性研究相當(dāng)于實現(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，進而增加了所傳輸?shù)男畔⒘俊！?/p>
具有對結(jié)構(gòu)微擾免疫的拓撲共振模式。其電場分布在結(jié)構(gòu)中心呈現(xiàn)一個奇點，相位分布具有非平庸拓撲荷，不受結(jié)構(gòu)微擾的影響。
修煉：從《科學(xué)》到《自然》
一切看似“順理成章”的背后，是宋清華及其團隊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。
宋清華團隊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。在法國國家科研中心從事博士后工作期間，宋清華就提出了一種全新的相位調(diào)控方法，研究了非厄密超構(gòu)表面的拓撲性質(zhì)，探討了其受拓撲保護的360度相位實現(xiàn)方法。研究結(jié)果表明，通過設(shè)計非厄密拓撲超構(gòu)表面，可以產(chǎn)生一個奇異點。奇異點在光學(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”拓撲保護，與所圍繞的路徑無關(guān)。這一研究成果后來發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。
《科學(xué)》網(wǎng)站文章截圖。
宋清華強調(diào)，在一些光場的調(diào)控設(shè)計中，如全息顯示、透鏡、激光雷達等，都需要360度相位調(diào)控。“目前的相位調(diào)控手段比較有限且設(shè)計復(fù)雜，我們在研究中提出了一個新方法：通過設(shè)計一個奇點，圍繞該奇點的任意一條路徑都可以累積360度相位。”這一項創(chuàng)新性成果為超構(gòu)表面設(shè)計提供了諸多便利。“以前如果我們想要獲得360度相位調(diào)控，需要遍歷所有結(jié)構(gòu)進行計算，現(xiàn)在我們只需要設(shè)計一個奇點就行了。”
這種相位調(diào)控方法，通過圍繞奇點旋轉(zhuǎn)一周可以實現(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)、拓撲學(xué)以及量子等領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。
非厄密超構(gòu)表面受奇異點保護的拓撲相位。
這一研究成果也為后來的《自然》文章順利發(fā)表奠定了基石。
“我從博士后時期便在做奇點方面的研究，此前的研究主要聚焦利用奇點周圍的光信息去做編碼，但編碼之后奇點已經(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。”
雖然此前已有許多研究團隊致力于奇點的研究，但基本都聚焦在如何通過減少干擾來維持穩(wěn)定性。而宋清華團隊此次提出的新概念，既能利用干擾去做光場調(diào)控，又能保持其拓撲性質(zhì)，是一項“從零到一”的研究。
讓團隊感到意外的是，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，或許是因為這項工作確實挺有意思的吧。”宋清華笑著說道。
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奇點穩(wěn)定性的做法，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。
此次宋清華團隊的研究為拓撲光學(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）研究團隊。
未來，宋清華團隊計劃持續(xù)深入探索，將概念拓展至谷霍爾效應(yīng)、拓撲絕緣體、非線性拓撲光源等領(lǐng)域，并探索“時間-實空間-動量空間”三重拓撲的實現(xiàn)，為拓撲光子學(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。”宋清華說道，“這項成果有望應(yīng)用于激光、高維量子態(tài)等領(lǐng)域，實現(xiàn)既能穩(wěn)定傳輸、又含有高信息容量的激光通信。”
“超構(gòu)材料是一個非常‘年輕’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)略介入的機遇期，具有廣闊的發(fā)展前景。”
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)材料實現(xiàn)光計算具有低延遲、低能耗、高并行處理能力等潛在優(yōu)勢，有望為高性能計算的未來發(fā)展提供堅實支撐。”
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，正全力推進人工智能重點學(xué)科建設(shè)，主動定義產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展的前沿命題。
《自然》文章“無序輔助的實動量拓撲光子晶體”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。
