近日清華大學(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)院士與合作者在拓?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，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”為題在線發(fā)表于《自然》（Nature），為進(jìn)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(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?/p>

因此

BIC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

對(duì)拓?fù)涔鈱W(xué)領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)影響

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

因而

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

所以

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?/p>

成為拓?fù)涔鈱W(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)

實(shí)-動(dòng)量空間拓?fù)涔庾泳w效果示意圖

為了解決這一問(wèn)題

清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院

宋清華副教授團(tuán)隊(duì)

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）教授

首次提出了一種實(shí)動(dòng)量拓?fù)涔庾泳w的概念

該研究提出了

無(wú)序輔助的實(shí)動(dòng)量拓?fù)涔庾泳w

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

這一創(chuàng)新性研究

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

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(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?/p>

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)空間中的幾何相位分布共存

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

具有對(duì)結(jié)構(gòu)微擾免疫的拓?fù)涔舱衲Ｊ健Ｆ潆妶?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。

作為概念驗(yàn)證

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)

引入幾何相位

利用兩個(gè)空間中的雙重拓?fù)浜?/p>

成功實(shí)現(xiàn)了

具有嵌套圖案和高維拓?fù)浜傻?/p>

實(shí)-動(dòng)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

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

以及幾何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

BIC處實(shí)現(xiàn)波前調(diào)控。通過(guò)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(guó)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(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)博士后張哲為論文共同第一作者。