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。

对此，清华团队近期有了新突破：不用开启“抗干扰”模式，也能做到！

宋清华（左二）、李勃（左一）与团队学生们（黄尹思 摄）

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，联合新加坡国立大学仇成伟教授、洛桑联邦理工大学罗曼·弗勒里（Romain Fleury）副教授的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。

2月26日，相关研究成果以“无序辅助的实动量拓扑光子晶体”（Disorder-assisted real-momentum topological photonic crystal）为题在线发表于《自然》（Nature）杂志。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。

《自然》网站论文截图

揭秘：走近光学领域的“龙卷风”

“我们团队近期聚焦超构表面相关的研究，也就是在一个表面上设计一些微纳结构阵列，用以控制电磁场和光场的传播。”宋清华表示，团队的研究主要是利用超构表面设计光学奇点。

“所谓‘奇点’，就像宇宙空间中的黑洞，或是龙卷风的风眼。”宋清华说道，“我们都知道风眼是气旋中心天气十分稳定的地带，是没有风的，而风眼周围则充斥着涡旋状的极端恶劣天气。这也类似陀螺的原理，其转动的轴心就相当于光学中的奇点。”

宋清华强调，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倚靠这个稳定的奇点，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。”

在光学中，连续域束缚态（BIC）就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、能量储存效率（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。

据团队主要成员、清华大学深圳国际研究生院科研助理（现为洛桑联邦理工大学博士生）秦昊烨介绍，连续域束缚态的光能量被完美锁定在特定结构，如纳米光子晶体中。“这种能量既不像普通光波那样向外扩散，也不会被结构本身吸收。从理论上说，连续域束缚态就像一个没有能量泄漏的‘完美容器’，其虽在现实生活或研究中无法实现，但通过设计某些人工结构能接近这种理想状态。”

秦昊烨表示，风眼周围的风就像光学中的信息，而拓扑相当于龙卷风周围的云或其旋转的圈，“不同的拓扑互不干扰，可以在光通信传输中形成多个通道，是光通信传输中的重要元素。”

非平庸的拓扑荷，则可以被理解为龙卷风的旋转圈次数，指的是某种稳定存在的结构特征，如孔洞、缠绕、漩涡的圈数等，这种特征无法通过平滑的变形消除（比如拉伸、弯曲，但不撕裂或粘合），“就像一根绳子被打了个死结，你无法通过单一的硬拉动作将其解开。”秦昊烨介绍道，“好比说，‘龙卷风’的涡旋转一圈，即拓扑荷为1。”其在物理学中常用来解释某些材料的奇特稳定性或粒子的特殊行为（如拓扑绝缘体的导电表面态、磁单极子等），因其传输中的稳定性在光通信等领域被广泛应用。

矛盾：一旦“加料”，结构就被破坏

宋清华团队致力于研究如何在控制光场的同时保持奇点的稳定性，使其不受微扰的影响。研究团队旨在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。

而问题在于，超构表面研究需设计微纳结构去控制这个奇点，针对每个结构的周期性严格排列并进行编码。“这个编码的过程就会破坏奇点，导致奇点消失，‘风’也就没了。”

秦昊烨表示，在这个光学“龙卷风”的涡旋中，一旦掺入杂质，信息结构就会被破坏。“我们把涡旋中的杂质称为扰动或者叫无序，也就相当于光学中的额外信息，会干扰和破坏结构。”

“这就产生了一个矛盾。”宋清华表示，研究团队既要保持奇点的稳定性，又要传输更多的信息，但在传输信息的编码过程又会影响奇点，这便是传统设计中的一大局限。

惊喜：“摆平”矛盾，从减少干扰到利用干扰

令人惊喜的是，团队发现他们可以利用无序去控制编码，从而在保持奇点稳定性的同时传输更多信息。团队设计了一种特殊的结构，其产生的特殊奇点对结构的微扰具有免疫作用，且不会破坏光学奇点。

实-动量空间拓扑光子晶体效果示意图

连续域束缚态对光能量的“存储”具有多种模式，研究团队发现一种特殊的模式，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也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，从而显著地提高了连续域束缚态奇点的稳定性。

秦昊烨介绍道，以往的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。”

具有对结构微扰免疫的拓扑共振模式。其电场分布在结构中心呈现一个奇点，相位分布具有非平庸拓扑荷，不受结构微扰的影响

修炼：不到四年，从《科学》到《自然》

一切看似“顺理成章”的背后，是清华人敢于不断突破瓶颈的勇气，也是一次又一次“高原上出高峰”的修炼。

事实上，这并不是宋清华团队研究的首次重大突破。

宋清华长期致力于电磁超构表面、光子晶体等微纳光学领域的研究，2021年7月从法国国家科研中心博士后出站，同年8月加入清华大学深圳国际研究生院。刚入职不到一个月，宋清华博士后期间的研究成果顺利发表，这也是其团队在拓扑光学领域研究的首篇《科学》文章。

《科学》网站文章截图

该研究提出一种全新的相位调控方法，研究了非厄密超构表面的拓扑性质，探讨了其受拓扑保护的360度相位实现方法。结果表明，通过设计非厄密拓扑超构表面，可以产生一个奇异点。奇异点在光学当中也是一种“龙卷风”的“风眼”，围绕这个“风眼”一圈，光的相位可以产生360度的累积。而且这种360度相位累积受该“风眼”拓扑保护，与所围绕的路径无关。

宋清华强调，在一些光场的调控设计，如全息显示、透镜、激光雷达等，都需要360度相位调控。“目前的相位调控手段比较有限且设计复杂，我们在研究中提出了一个新方法：通过设计一个奇点，围绕该奇点的任意一条路径都可以累积360度相位。”

宋清华进一步解释道，这一项创新性成果为超构表面设计提供了诸多便利。“以前如果我们想要获得360度相位调控，需要遍历所有结构进行计算，现在我们只需要设计一个奇点就行了。”

这种相位调控方法，通过围绕奇点旋转一周可以实现全相位调控，极大地丰富了目前有限的相位调控手段，有望在光学、电磁学、声学、拓扑学以及量子等领域产生重大影响。

非厄密超构表面受奇异点保护的拓扑相位

2021年9月3日，宋清华以第一作者身份在《科学》（Science）杂志发表题为“围绕奇异点的等离子体拓扑超构表面”（Plasmonic topological metasurface by encircling an exceptional point）的文章。

沉浸在喜悦中的宋清华团队，或许还没有想到，当时的这一研究成果成为了后来《自然》文章顺利发表的重要基石。

“我从博士后时期便在做奇点方面的研究，此前的研究主要聚焦利用奇点周围的光信息去做编码，但编码之后奇点已经被破坏了。如何在信息编码的同时避免受到干扰——这一问题引发了我们后续的思考。”

虽然此前已有许多研究团队致力于奇点的研究，但基本都聚焦在如何通过减少干扰来维持稳定性。而宋清华团队此次提出的新概念，既能利用干扰去做光场调控，又能保持其拓扑性质，是一项“从零到一”的研究。

让团队感到意外的是，这一次《自然》文章的投稿出奇地顺利。

“多数时候我们的投稿等待时间周期长，中间也可能经历反复修改，没想到这一次审稿反馈非常迅速，修改幅度也不大，或许是因为这项工作确实挺有意思的吧。”宋清华笑着说道。

这一勇闯无人区的新发现，打破了传统研究中仅靠减少无序而保护奇点稳定性的做法，无疑在光学领域中迈出了重要一步。

未来：从概念到应用，继续破解更多光学密码

宋清华和李勃所在的材料科学领域，为清华大学深圳国际研究生院学科建设“6+1”主题领域之一，紧密结合国家战略需求，充分发挥深圳及珠三角产业优势，突破材料应用瓶颈，旨在打造全球功能材料领域的科学中心，建成国际一流的新材料研究型和创业型人才培养基地，为国家战略性新材料发展提供多学科交叉融合的人才支撑。

2024年，全院新增三个学科进入ESI前1%，材料学科进入前1.25‰，创历史新高。学院全年共12位教师、13人次入选“全球高被引科学家”，占全院专职教师总人数的5.24%，其中材料科学领域全职教师共有8位教师、9人次入选。

在这积极向上的学科团队氛围中，宋清华团队的研究为拓扑光学领域的应用开辟了新的方向，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显示器件等领域。

宋清华（中）、李勃（左二）研究团队（黄尹思 摄）

未来，宋清华团队将持续深入探索，将概念拓展至谷霍尔效应、拓扑绝缘体、非线性拓扑光源等领域，并探索“时间-实空间-动量空间”三重拓扑的实现，将为拓扑光子学开辟更高维度的调控自由度。

“目前该成果尚停留在学术的概念，未来我们希望让其真正落地，应用到产业中去。”宋清华说道，“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。”

“超构材料是一个非常‘年轻’的新型研究领域。”李勃说道，“超构材料领域当前正同时处在基础研究的爆发期、产业技术发展的萌发期和国家战略介入的机遇期，具有广阔的发展前景。”

李勃表示，超构材料在众多领域的应用有可能推动颠覆性技术的产生，例如为高速发展的人工智能领域提供新的算力解决方案。“利用超构材料实现光计算具有低延迟、低能耗、高并行处理能力等潜在优势，有望为高性能计算的未来发展提供坚实支撑。”

当前，作为改革开放前沿阵地和科技创新主战场的深圳市正在全力推进建设人工智能先锋城市。与此同时，清华大学深圳国际研究生院结合深圳产业科技优势，以清华大学优势学科布局凝聚合力，正全力推进人工智能重点学科建设，主动定义产业科技发展的前沿命题。

在时代发展的浪潮中，清华人始终脚踏实地、勇攀高峰，以自强不息的探索精神开拓前沿领域，书写属于这个时代的创新答卷。 宋清华团队与这场光学“龙卷风”的不解之缘，将在新时代的产业技术变革中发展延续。

《自然》文章“无序辅助的实动量拓扑光子晶体”通讯作者为宋清华、仇成伟、罗曼·弗勒里，第一作者为秦昊烨，共同第一作者为清华大学深圳国际研究生院2022级博士生苏增平和洛桑联邦理工大学博士后张哲，其他作者还包括周济院士、李勃研究员，清华大学深圳国际研究生院2024级博士生吕文静、2022级博士生杨子矜、2022级硕士生高心越，新加坡国立大学陈伟锦博士后和卫珩博士，同济大学施宇智教授。该工作得到了国家自然科学基金委、深圳市科创委等部门支持。

团队相关研究成果（按发表时间倒序排列）

“无序辅助的实动量拓扑光子晶体”（Disorder-assisted real-momentum topological photonic crystal）

《自然》（Nature）

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08632-9

“磁光连续域束缚态的稳健圆偏形成机制”（Robust generation of intrinsic C points with magneto-optical bound states in the continuum）

《科学进展》（Science Advances）

https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.ads0157

“创建任意偏振控制的双奇异点：非对称矢量波前调制”（Creating Pairs of Exceptional Points for Arbitrary Polarization Control: Asymmetric Vectorial Wavefront Modulation）

《自然·通讯》（Nature Communications）

https://www.nature.com/articles/s41467-023-44428-z

“扭曲光子晶体中的任意偏振连续域束缚态”（Arbitrarily polarized bound states in the continuum with twisted photonic crystal slabs）

《光：科学和应用》（Light：Science & Applications）

https://www.nature.com/articles/s41377-023-01090-w

“围绕奇异点的等离子体拓扑超构表面”(Plasmonic topological metasurface by encircling an exceptional point)

《科学》（Science）

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abj3179

供稿：深圳国际研究生院

文字：叶思佳

编辑：李华山

审核：郭玲