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奇點光學(xué)，研究的是光學(xué)領(lǐng)域的“龍卷風(fēng)”。如何在不被干擾、不破壞“風(fēng)眼”這一根本結(jié)構(gòu)的前提下，有效地操縱并利用“龍卷風(fēng)”，是光學(xué)領(lǐng)域科學(xué)家面對的一大難題。近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院宋清華副教授、李勃研究員，清華大學(xué)材料學(xué)院周濟院士聯(lián)合國外科研人員組成的研究團隊，在拓撲光學(xué)領(lǐng)域取得突破性進展，首次提出一種實動量拓撲光子晶體的概念，揭示了無序中穩(wěn)定拓撲的形成機制，并實現(xiàn)了光子晶體的有效信息編碼。

該研究為進一步探索光學(xué)領(lǐng)域提供了全新的研究視角，未來有望用于大容量光通信研究，以及光子芯片、顯示器件、激光等領(lǐng)域。相關(guān)研究成果日前在線發(fā)表于《自然》。

“所謂‘奇點’，就像宇宙空間中的黑洞，或是龍卷風(fēng)的風(fēng)眼?！彼吻迦A告訴記者，奇點具有非常強的穩(wěn)定性，在光學(xué)概念中至關(guān)重要，“一些特殊光信息的傳輸和存儲就靠這個穩(wěn)定的奇點，沒有奇點，就相當(dāng)于龍卷風(fēng)沒有了風(fēng)眼，這場龍卷風(fēng)也就不復(fù)存在了?！?/p>

研究團隊一直致力于利用超構(gòu)表面或光子晶體產(chǎn)生奇點，并使其能夠傳輸更多的信息?！暗趥鹘y(tǒng)設(shè)計中，在這個光學(xué)‘龍卷風(fēng)’的渦旋里一旦摻入雜質(zhì)，信息結(jié)構(gòu)就會被破壞?！彼吻迦A表示。

上述成果中，研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種特殊模式，這種拓撲共振模式對結(jié)構(gòu)微擾具有免疫性，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生微小變化時，由于奇點的拓撲保護作用，該共振模式不會受到影響，從而顯著地提高了連續(xù)域束縛態(tài)奇點的穩(wěn)定性。

團隊主要成員秦昊燁介紹，以往研究往往致力于避免讓“龍卷風(fēng)”卷入雜質(zhì)，這項創(chuàng)新性研究相當(dāng)于實現(xiàn)了一種“神奇的渦旋”，“光學(xué)中的信息就好比龍卷風(fēng)的渦旋卷入了許多樹葉，而這些樹葉并不會對其渦旋結(jié)構(gòu)造成破壞，反而渦旋和樹葉相互作用，進而增加了所傳輸?shù)男畔⒘俊薄?/p>

宋清華介紹，未來團隊將持續(xù)探索，為拓撲光子學(xué)開辟更高維度的調(diào)控自由度，“這項成果有望應(yīng)用于激光、高維量子態(tài)等領(lǐng)域，實現(xiàn)既能穩(wěn)定傳輸、又含有高信息容量的激光通信”。 （記者鄧暉）