光学“龙卷风”的奥秘被揭开

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  本报北京3月11日电（记者邓晖）奇点光学，研究的是光学领域的“龙卷风”。如何在不被干扰、不破坏“风眼”这一根本结构的前提下，有效地操纵并利用“龙卷风”，是光学领域科学家面对的一大难题。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，清华大学材料学院周济院士联合国外科研人员组成的研究团队，在拓扑光学领域取得突破性进展，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。

  该研究为进一步探索光学领域提供了全新的研究视角，未来有望用于大容量光通信研究，以及光子芯片、显示器件、激光等领域。相关研究成果日前在线发表于《自然》。

  “所谓‘奇点’，就像宇宙空间中的黑洞，或是龙卷风的风眼。”宋清华告诉记者，奇点具有非常强的稳定性，在光学概念中至关重要，“一些特殊光信息的传输和存储就靠这个稳定的奇点，没有奇点，就相当于龙卷风没有了风眼，这场龙卷风也就不复存在了。”

  研究团队一直致力于利用超构表面或光子晶体产生奇点，并使其能够传输更多的信息。“但在传统设计中，在这个光学‘龙卷风’的涡旋里一旦掺入杂质，信息结构就会被破坏。”宋清华表示。

  上述成果中，研究团队发现了一种特殊模式，这种拓扑共振模式对结构微扰具有免疫性，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，从而显著地提高了连续域束缚态奇点的稳定性。

  团队主要成员秦昊烨介绍，以往研究往往致力于避免让“龙卷风”卷入杂质，这项创新性研究相当于实现了一种“神奇的涡旋”，“光学中的信息就好比龙卷风的涡旋卷入了许多树叶，而这些树叶并不会对其涡旋结构造成破坏，反而涡旋和树叶相互作用，进而增加了所传输的信息量”。

  宋清华介绍，未来团队将持续探索，为拓扑光子学开辟更高维度的调控自由度，“这项成果有望应用于激光、高维量子态等领域，实现既能稳定传输、又含有高信息容量的激光通信”。