清华大学，Nature ！
纳米技术
2025-03-07
拓扑缺陷（Topological defects）和无序结构（disorder）能够相互抵消。从直观上，无序结构是有害的，因此对于传统的拓扑光子学，通常人们需要避免这种无序结构的影响。
有鉴于此，清华大学宋清华副教授、新加坡国立大学仇成伟（Cheng-Wei Qiu）教授、洛桑联邦理工学院Romain Fleury等报道一种违反直觉的策略，通过使用实际空间动量拓扑光子晶体的增强无序结构产生Pancharatnam–Berry相，而且不破坏连续体之中束缚态的动量空间奇点。这个方法使得平面光学器件能够在实际空间对空间信息进行编码，与此同时能够在动量空间保持连续体束缚态的本征拓扑结构。作为一个概念性验证，展示了同时且独立的产生实空间宽带涡旋（broadband vortex）或全息成像（holographic image），以及非常窄的振动量空间涡旋光束（vortex beams），这是传统方法无法达到的效果。 这种结构无序工程产生巨大的自由度，并且保证不增加额外维度，不破坏光学平面性。这项真实空间-动量空间的对偶性（real–momentum duality）的发现不仅为拓扑光子学的无序结构设计奠定基础，而且为光学波前形状，光学加密，光学通讯提供新途径。为了研究真实空间的动量对偶性，以结构均匀的PhC光子晶体作为研究模型。PhC光子晶体（PhC，photonic crystals）是周期性圆柱体纳米棒（半径125 nm），周期为320 nm。通过面内反演对称性，产生了Г点无穷品质因数（Q因数）的连续体束缚态（BIC）。在适当的激发条件下，能够产生拓扑电荷（topological charge）为2的动量空间涡旋（momentum-space vortex）。但是，完美的BIC存在信息太少的缺陷。因此，在纳米棒引入两个角度为180°的凹口，能够增加各向异性，同时没有破坏反演对称性（图1a）。 这种旋转自由度能够产生2π区间的PB相位（Pancharatnam–Berry相），促进在真实空间进行波前控制用于产生空间周期性被打破的涡流或者全息图。如图1c所示为一种具有稳定的本征模的情况，能够在存在凹口和无序的情况，仍然保持不平凡的近场相位绕组（near-field phase winding）。这使得其能够同时叠加和显示真实空间的拓扑结构（涡流）或者信息编码，因此能够显著增加光子晶体PhC的物理含义和数据容量。如图1d所示，总结了目前各种拓扑光子晶体的重要进展。如图2a所示，模拟本征膜的轮廓结构和近场拓扑结构，验证存在动量空间拓扑奇点，并且对纳米棒的凹口造成的扰动具有稳健性。随后，在验证凹口结构没有影响拓扑本征模的性质，进一步研究纳米棒在不同旋转角度的情况的相互作用，确认空间调控没有将动量空间奇点性质去除。如图2b所示，超晶胞内四个旋转角度θ相同的相连纳米棒所具有的拓扑本征模量与单个纳米棒相同。图2c描绘Г点的Q因子和的远场辐射对应的变化。此外，证实动量空间的远场极化态参与1的偏振缠绕，产生一个中心涡流点（图2d）。因此，根据图2结果表明为了空间调节旋转角用于产生PB相位的过程并没有消除动量空间内的拓扑奇点。明确了真实空间的无序对于不同的旋转角度和凹口几何形状表现稳健性，在保持动量空间拓扑电荷的同时，利用实空间无序调控PB相位。改变旋转角度和凹口的深度，研究传输的振幅和PB相位。 如图3a所示，在λ = 550 nm检测交叉极化偏振方向从左圆偏振变为右圆偏振，结果表明在各种凹口深度的情况下，都能够完全覆盖PB相位的2π范围。图3b所示为凹口深度为60 nm的情况。如图3c,d所示分别是模拟重建全息图和振幅调节PB相位的涡旋。振幅的调控导致形成花瓣形状的涡旋，而且通过振幅调控PB相位的多功能能够形成均匀的涡旋。图4. 真实空间-动量涡旋的产生以及拓扑对偶性实验通过数值模拟展示了修饰凹口的PhC光子晶体能够表现为真实空间调制和动量空间之间的奇异叠加，而且真实空间和动量空间的信号没有负面相互干扰。这个功能使得能够从真实空间和动量空间实现双重拓扑结构。在玻璃载体上构筑厚度为600 nm的TiO2光子晶体，凹口的宽度和深度都为60 nm。如图4c所示，是制备的1000×1000样品的SEM成像。考虑了制备过程的各种缺陷，通过数值模拟和实验验证，表明真实空间-动量空间对凹口的变化表现优异的对偶性。在平面波入射波，对蓝光、绿光、红光的真实空间涡旋进行实验验证（图4a），以及高斯光束照射的动量空间涡旋（图4b）。如图4d所示，展示自然排列的真实空间-动量空间涡旋，其在较大的涡旋内嵌套较小尺寸的涡旋。 图5. 单个真实空间-动量空间拓扑PhC实验验证（真实空间的全息图以及动量空间涡旋）为了验证真实空间-动量空间光子晶体具有更多数据容量，因此将PB相位进行图像编码，因此投影全息图，同时形成动量空间涡旋。如图5a所示，为制备的全息拓扑PhC的顶视图和倾斜视图。对字母“A”的图像进行编码，分别在λ =450，550，650 nm测试交叉偏振透射率，得到预期设计相符的超构全息图。 Qin, H., Su, Z., Zhang, Z. et al. Disorder-assisted real–momentum topological photonic crystal. Nature (2025). DOI:10.1038/s41586-025-08632-9https://www.nature.com/articles/s41586-025-08632-9
