2月26日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授宋清華、研究員李勃，中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)材料學(xué)院教授周濟(jì)，聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)教授仇成偉和洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)教授Romain Fleury，首次提出了一種無(wú)序拓?fù)涔庾泳w的概念。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。
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)浜伞Ｒ虼耍珺IC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。傳統(tǒng)利用超表面和光子晶體實(shí)現(xiàn)的BIC通常依賴于嚴(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。
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)涮匦裕蔀橥負(fù)涔鈱W(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。
研究人員發(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)浜伞＿@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，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Pancharatnam-Berry (潘查拉姆-貝里相位，PB相位) 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。
在概念驗(yàn)證中，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PB相位，利用兩個(gè)空間中的雙重拓?fù)浜桑晒?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PB相位中，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。動(dòng)量奇點(diǎn)的色散特性以及PB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。研究成果有望推動(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顯示器件等多個(gè)領(lǐng)域。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08632-9
編輯：李華山
