近日

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

與合作者在拓?fù)涔鈱W(xué)領(lǐng)域

取得突破性進展

首次提出一種

實動量拓?fù)涔庾泳w的概念

揭示了無序中穩(wěn)定拓?fù)涞男纬蓹C制

并實現(xiàn)了光子晶體的有效信息編碼

相關(guān)研究成果以

“無序輔助的實動量拓?fù)涔庾泳w”

為題

在線發(fā)表于《自然》(Nature)

為進一步探索光學(xué)領(lǐng)域

提供了全新的研究視角

《自然》(Nature)網(wǎng)站論文截圖

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

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、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?fù)浜?/p>

因此

BIC在渦旋光產(chǎn)生、場增強

和高Q值等光學(xué)應(yīng)用中

具有廣闊的前景

對拓?fù)涔鈱W(xué)領(lǐng)域具有深遠影響

傳統(tǒng)利用超表面

和光子晶體實現(xiàn)的BIC

通常依賴于嚴(yán)格的周期性結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)的無序會破壞周期性

導(dǎo)致BIC退化成準(zhǔn)BIC(即QBIC)

其拓?fù)湫再|(zhì)也隨之消失

因而

過去關(guān)于BIC的研究

通常會盡量減輕無序的影響

然而

無序性為結(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

所以

如何在BIC中引入有效的無序信息

而不破壞BIC的拓?fù)涮匦?/p>

成為拓?fù)涔鈱W(xué)領(lǐng)域中的一個重要挑戰(zhàn)

實-動量空間拓?fù)涔庾泳w效果示意圖

為了解決這一問題

清華大學(xué)深圳國際研究生院

宋清華副教授團隊

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)教授

首次提出了一種實動量拓?fù)涔庾泳w的概念

該研究提出了

無序輔助的實動量拓?fù)涔庾泳w

為拓?fù)涔鈱W(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的方向

這一創(chuàng)新性研究

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顯示器件等多個領(lǐng)域

研究發(fā)現(xiàn)

光子晶體中存在一種特殊的BIC共振模式

該模式的場分布中也包含一個拓?fù)淦纥c

且圍繞該奇點的相位

具有非平庸的拓?fù)浜?/p>

這種拓?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

由于奇點的拓?fù)浔Ｗo作用

該共振模式不會受到影響

從而顯著地提高了BIC的穩(wěn)定性

該拓?fù)涔庾泳w的BIC動量空間拓?fù)淦纥c

與實空間中的幾何相位分布共存

后者可用來引入無序狀態(tài)

從而編碼額外的波前調(diào)控信息

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，相位分布具有非平庸拓?fù)浜?，不受結(jié)構(gòu)微擾的影響。

作為概念驗證

研究團隊通過在實空間中旋轉(zhuǎn)超表面結(jié)構(gòu)

引入幾何相位

利用兩個空間中的雙重拓?fù)浜?/p>

成功實現(xiàn)了

具有嵌套圖案和高維拓?fù)浜傻?/p>

實-動量雙渦旋

此外

該研究還將全息圖像編碼到幾何相位中

并通過實驗驗證

成功恢復(fù)了

高質(zhì)量的超構(gòu)全息圖和動量渦旋光束

動量奇點的色散特性

以及幾何相位的寬帶工作特性

使得兩個空間能夠?qū)崿F(xiàn)

波長控制的分離和重組

從而提供更高的可調(diào)性和信息容量

BIC處實現(xiàn)波前調(diào)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?fù)洚a(chǎn)生的渦旋光具有窄帶特性

　　宋清華、仇成偉、羅曼·弗勒里為論文的通訊作者，深圳國際研究生院科研助理秦昊燁(現(xiàn)為洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)博士生)為論文第一作者，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)博士后張哲為論文共同第一作者。

　　論文鏈接：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-025-08632-9