2月26日，清华大学深圳国际研究生院副教授宋清华、研究员李勃，中国工程院院士、清华大学材料学院教授周济，联合新加坡国立大学教授仇成伟和洛桑联邦理工大学教授Romain Fleury，首次提出了一种无序拓扑光子晶体的概念。相关研究成果发表于《自然》。

在光学中，连续域束缚态（BIC）是一种特殊的光学奇点，其能量被局域化，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。传统利用超表面和光子晶体实现的BIC通常依赖于严格的周期性结构，结构的无序会破坏周期性，导致BIC退化成准BIC（即QBIC），其拓扑性质也随之消失。

过去关于BIC的研究通常会尽量减轻无序的影响。然而，无序性为结构控制提供了额外的自由度，这在波前调控应用中至关重要。因此，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。

研究人员发现，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，且围绕该奇点的相位具有非平庸的拓扑荷。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BIC的稳定性。该拓扑光子晶体的BIC动量空间拓扑奇点与实空间中的Pancharatnam-Berry (潘查拉姆-贝里相位，PB相位) 相位分布共存，后者可用来引入无序状态，从而编码额外的波前调控信息。

在概念验证中，研究团队通过在实空间中旋转超表面结构引入PB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PB相位中，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PB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。研究成果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。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08632-9

编辑：李华山