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(duì)的一大難題,。
對(duì)此，清華團(tuán)隊(duì)近期有了新突破：不用開(kāi)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,。
清華大學(xué)深圳國(guó)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(guó)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(dòng)量拓?fù)涔庾泳w的概念,，揭示了無(wú)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(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(lái)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(gè)表面上設(shè)計(jì)一些微納結(jié)構(gòu)陣列,，用以控制電磁場(chǎng)和光場(chǎng)的傳播,。”宋清華表示,，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,。”宋清華說(shuō)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(méi)有風(fēng)的，而風(fēng)眼周?chē)鷦t充斥著渦旋狀的極端惡劣天氣,。這也類(lèi)似陀螺的原理,，其轉(zhuǎn)動(dòng)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?chǔ)就倚靠這個(gè)穩(wěn)定的奇點(diǎn),，沒(méi)有奇點(diǎn)，就相當(dāng)于龍卷風(fēng)沒(méi)有了風(fēng)眼,，這場(chǎng)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(wú)法向外傳播,，從而在動(dòng)量空間中形成一個(gè)不輻射,、能量?jī)?chǔ)存效率（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?/p>
據(jù)團(tuán)隊(duì)主要成員,、清華大學(xué)深圳國(guó)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(huì)被結(jié)構(gòu)本身吸收,。從理論上說(shuō),，連續(xù)域束縛態(tài)就像一個(gè)沒(méi)有能量泄漏的‘完美容器’，其雖在現(xiàn)實(shí)生活或研究中無(wú)法實(shí)現(xiàn),，但通過(guò)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?chē)娘L(fēng)就像光學(xué)中的信息,，而拓?fù)湎喈?dāng)于龍卷風(fēng)周?chē)脑苹蚱湫D(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(gè)通道,，是光通信傳輸中的重要元素?！?/p>
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(wú)法通過(guò)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(gè)死結(jié),，你無(wú)法通過(guò)單一的硬拉動(dòng)作將其解開(kāi)?！鼻仃粺罱榻B道,，“好比說(shuō)，‘龍卷風(fēng)’的渦旋轉(zhuǎn)一圈,，即拓?fù)浜蔀?,。”其在物理學(xué)中常用來(lái)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(chǎng)的同時(shí)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(wèn)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(gè)奇點(diǎn),，針對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)的周期性嚴(yán)格排列并進(jìn)行編碼,。“這個(gè)編碼的過(guò)程就會(huì)破壞奇點(diǎn),，導(dǎo)致奇點(diǎn)消失,，‘風(fēng)’也就沒(méi)了?！?/p>
秦昊燁表示,，在這個(gè)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(huì)被破壞,。“我們把渦旋中的雜質(zhì)稱為擾動(dòng)或者叫無(wú)序,，也就相當(dāng)于光學(xué)中的額外信息,，會(huì)干擾和破壞結(jié)構(gòu)?！?/p>
“這就產(chǎn)生了一個(gè)矛盾,。”宋清華表示，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(guò)程又會(huì)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(wú)序去控制編碼,，從而在保持奇點(diǎn)穩(wěn)定性的同時(shí)傳輸更多信息,。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種特殊的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的特殊奇點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)的微擾具有免疫作用,，且不會(huì)破壞光學(xué)奇點(diǎn),。
實(shí)-動(dòng)量空間拓?fù)涔庾泳w效果示意圖。
連續(xù)域束縛態(tài)對(duì)光能量的“存儲(chǔ)”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(chǎng)分布中也包含一個(gè)拓?fù)淦纥c(diǎn)，且圍繞該奇點(diǎn)的相位也具有非平庸的拓?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,，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”?！肮鈱W(xué)中的信息就好比龍卷風(fēng)的渦旋卷入了許多樹(shù)葉,，而這些樹(shù)葉并不會(huì)對(duì)其渦旋結(jié)構(gòu)造成破壞，反而渦旋和樹(shù)葉相互作用,，進(jìn)而增加了所傳輸?shù)男畔⒘?。?/p>
具有對(duì)結(jié)構(gòu)微擾免疫的拓?fù)涔舱衲Ｊ?。其電?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,。
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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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(guó)國(guó)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?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,。研究結(jié)果表明,，通過(guò)設(shè)計(jì)非厄密拓?fù)涑瑯?gòu)表面，可以產(chǎn)生一個(gè)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(gè)“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(wú)關(guān)。這一研究成果后來(lái)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(qiáng)調(diào)，在一些光場(chǎng)的調(diào)控設(shè)計(jì)中,，如全息顯示,、透鏡、激光雷達(dá)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(jì)復(fù)雜,，我們?cè)谘芯恐刑岢隽艘粋€(gè)新方法：通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)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?！边@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,。“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(jìn)行計(jì)算,，現(xiàn)在我們只需要設(shè)計(jì)一個(gè)奇點(diǎn)就行了?！?/p>
這種相位調(diào)控方法,，通過(guò)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)生重要影響,。
非厄密超構(gòu)表面受奇異點(diǎn)保護(hù)的拓?fù)湎辔弧?/span>
這一研究成果也為后來(lái)的《自然》文章順利發(fā)表奠定了基石,。
“我從博士后時(shí)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?chē)墓庑畔⑷プ鼍幋a,，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(shí)避免受到干擾——這一問(wèn)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(guò)減少干擾來(lái)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(chǎng)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(shí)候我們的投稿等待時(shí)間周期長(zhǎng),，中間也可能經(jīng)歷反復(fù)修改,，沒(méi)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,。”宋清華笑著說(shuō)道,。
這一勇闖無(wú)人區(qū)的新發(fā)現(xiàn),，打破了傳統(tǒng)研究中僅靠減少無(wú)序而保護(hù)奇點(diǎn)穩(wěn)定性的做法，在光學(xué)領(lǐng)域中邁出了重要一步,。
未來(lái)：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(guó)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(guó)家戰(zhàn)略需求,，充分發(fā)揮深圳及珠三角產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，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(guó)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(guó)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(tuán)隊(duì)的研究為拓?fù)涔鈱W(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了新的方向,，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,。
宋清華（中）,、李勃（左二）研究團(tuán)隊(duì)。
未來(lái),，宋清華團(tuán)隊(duì)計(jì)劃持續(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(shí)間-實(shí)空間-動(dòng)量空間”三重拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)，為拓?fù)涔庾訉W(xué)開(kāi)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(lái)我們希望讓其真正落地,，應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)中去,。”宋清華說(shuō)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(gè)非?！贻p’的新型研究領(lǐng)域,。”李勃說(shuō)道,，“超構(gòu)材料領(lǐng)域當(dāng)前正同時(shí)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(guó)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(dòng)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(shì)，有望為高性能計(jì)算的未來(lái)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)支撐,?！?/p>
當(dāng)前，作為改革開(kāi)放前沿陣地和科技創(chuàng)新主戰(zhàn)場(chǎng)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(shí),，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院結(jié)合深圳產(chǎn)業(yè)科技優(yōu)勢(shì),，以清華大學(xué)優(yōu)勢(shì)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(dòng)定義產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展的前沿命題,。
《自然》文章“無(wú)序輔助的實(shí)動(dòng)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(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,，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(guó)際研究生院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,。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、深圳市科創(chuàng)委等部門(mén)支持,。
