奇點光學，研究的是光學領域的“龍卷風”。如何在不被干擾、不破壞“風眼”這一根本結構的前提下，有效地操縱並利用“龍卷風”，是光學領域科學家面對的一大難題。近日，清華大學深圳國際研究生院宋清華副教授、李勃研究員，清華大學材料學院周濟院士聯合國外科研人員組成的研究團隊，在拓扑光學領域取得突破性進展，首次提出一種實動量拓扑光子晶體的概念，揭示了無序中穩定拓扑的形成機制，並實現了光子晶體的有效信息編碼。

該研究為進一步探索光學領域提供了全新的研究視角，未來有望用於大容量光通信研究，以及光子芯片、顯示器件、激光等領域。相關研究成果日前在線發表於《自然》。

“所謂‘奇點’，就像宇宙空間中的黑洞，或是龍卷風的風眼。”宋清華告訴記者，奇點具有非常強的穩定性，在光學概念中至關重要，“一些特殊光信息的傳輸和存儲就靠這個穩定的奇點，沒有奇點，就相當於龍卷風沒有了風眼，這場龍卷風也就不復存在了。”

研究團隊一直致力於利用超構表面或光子晶體產生奇點，並使其能夠傳輸更多的信息。“但在傳統設計中，在這個光學‘龍卷風’的渦旋裡一旦摻入雜質，信息結構就會被破壞。”宋清華表示。

上述成果中，研究團隊發現了一種特殊模式，這種拓扑共振模式對結構微擾具有免疫性，當結構發生微小變化時，由於奇點的拓扑保護作用，該共振模式不會受到影響，從而顯著地提高了連續域束縛態奇點的穩定性。

團隊主要成員秦昊燁介紹，以往研究往往致力於避免讓“龍卷風”卷入雜質，這項創新性研究相當於實現了一種“神奇的渦旋”，“光學中的信息就好比龍卷風的渦旋卷入了許多樹葉，而這些樹葉並不會對其渦旋結構造成破壞，反而渦旋和樹葉相互作用，進而增加了所傳輸的信息量”。

宋清華介紹，未來團隊將持續探索，為拓扑光子學開辟更高維度的調控自由度，“這項成果有望應用於激光、高維量子態等領域，實現既能穩定傳輸、又含有高信息容量的激光通信”。 （記者鄧暉）

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