宋清华（中）、李勃（左二）研究团队。通讯员 黄尹思 摄

深圳商报首席记者 吴 吉

通讯员 叶思佳

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”？这是光学领域科学家面对的一大难题。对此，清华大学深圳国际研究生院（以下简称：SIGS）团队近期有了新突破，相关研究成果近期在线发表于《自然》期刊，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。

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。

突破：从减少干扰到利用干扰

“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。”

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。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。

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。

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，以往的研究往往致力于避免让“龙卷风”卷入杂质，而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。”

修炼：不到四年，从《科学》到《自然》

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。 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。”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。

未来：从概念到应用，继续破解更多光学密码

“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。”

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。未来，宋清华团队与这场光学“龙卷风”的不解之缘，也将在新时代的产业技术变革中发展延续……