实-动量空间拓扑光子晶体效果示意图。

　　本报讯 近日，清华大学深圳国际研究生院宋清华副教授、李勃研究员，材料学院周济院士与合作者在拓扑光学领域取得突破性进展。团队首次提出一种实动量拓扑光子晶体的概念，揭示了无序中稳定拓扑的形成机制，并实现了光子晶体的有效信息编码。研究成果以“无序辅助的实动量拓扑光子晶体”为题，在线发表在《自然》（Nature）期刊上，为进一步探索光学领域提供了全新的研究视角。
　　连续域束缚态（BIC）在光学中是一种特殊的光学奇点，它的能量被局域化，无法向外传播，从而在动量空间中形成一个不辐射、Q值无穷大的偏振奇点，围绕该奇点的偏振分布具有非平庸的拓扑荷。因此，BIC在涡旋光产生、场增强和高Q值等光学应用中具有广阔的前景，对拓扑光学领域具有深远影响。
　　如何在BIC中引入有效的无序信息而不破坏BIC的拓扑特性，成为拓扑光学领域中的一个重要挑战。
　　为解决这一问题，宋清华团队联合新加坡国立大学仇成伟教授、瑞士洛桑联邦理工大学罗曼·弗勒里教授首次提出了一种实动量拓扑光子晶体的概念，该研究提出了无序辅助的实动量拓扑光子晶体，为拓扑光学领域的应用开辟了新的方向。这一创新性研究有望推动光子芯片等微纳光学器件的发展，并可应用于高稳定性高容量的光通信技术、复杂结构光的生成、高维量子纠缠技术、生物粒子的精细光学操控、AR/VR显示器件等多个领域。
　　研究发现，光子晶体中存在一种特殊的BIC共振模式。该模式的场分布中也包含一个拓扑奇点。当结构发生微小变化时，由于奇点的拓扑保护作用，该共振模式不会受到影响，从而显著地提高了BIC的稳定性。
　　作为概念验证，研究团队通过在实空间中旋转超表面结构，引入几何相位，利用两个空间中的双重拓扑荷，成功实现了具有嵌套图案和高维拓扑荷的实-动量双涡旋。
　　此外，该研究还将全息图像编码到几何相位中，并通过实验验证，成功恢复了高质量的超构全息图和动量涡旋光束。
　　动量奇点的色散特性以及几何相位的宽带工作特性，使得两个空间能够实现波长控制的分离和重组，从而提供更高的可调性和信息容量。
　　宋清华、仇成伟、罗曼·弗勒里为该论文的通讯作者，清华大学深圳国际研究生院科研助理秦昊烨（现为洛桑联邦理工大学博士生）为第一作者，深圳国际研究生院2022级博士生苏增平和洛桑联邦理工大学博士后张哲为共同第一作者。
　　（深圳国际研究生院）