近日，南方科技大学高振副教授课题组首次在三维拓扑光学旋错超构材料中理论提出并实验观测到拓扑涡旋和反涡旋鲁棒传输,相关成果以“Topological Vortex and Antivortex Transport in a Three-Dimensional Photonic Disclination Metamaterial”为题发表在物理学国际期刊Physical Review Letters。

携带轨道角动量的涡旋与反涡旋模式的发现，为现代光学领域带来革命性突破，在光通信、量子信息等领域具有广泛应用。但受电磁波的固有属性制约，这类模式在面对环境干扰、结构缺陷及模式耦合时欠佳稳定性，如何实现轨道角动量的无损、稳定且鲁棒传输，仍是该领域亟待解决的关键难题。拓扑旋错晶格缺陷为破解这一难题提供了新思路，在构建兼具轨道角动量特性与强拓扑保护能力的涡旋、反涡旋模式稳健传输方面展现出极高应用价值。然而，目前相关研究多局限于二维体系, 如图1(a)所示。由于三维空间中的电磁波具有矢量性，三维体系中携带轨道角动量的拓扑涡旋及反涡旋传输现象至今尚无任何报道。

为了将拓扑涡旋和反涡旋传输现象从二维光学系统拓展至三维光学系统，高振团队通过先构建二维旋错晶格，经垂直堆叠及层间耦合后得到准三维结构（图1(a)），其可支持一维拓扑涡旋与反涡旋鲁棒传输，这类模式束缚于一维旋错线缺陷并沿其稳健传播。为实现这一独特的传输特性，研究团队设计了由三个互连金属开口环谐振器构成的三维光学超材料（图 1 (b)-(c)），其体能带具备超宽三维光学全带隙（图 1 (d)）；通过引入旋错缺陷（图 1 (e)），该超材料可在带隙内同时支持拓扑涡旋与反涡旋的一维传输（图 1 (g)）。进一步表征显示（图2），拓扑涡旋与反涡旋模式均紧密局域于旋错核心，具有相反轨道角动量，可分别通过对应手性源选择性激发，并沿一维旋错线缺陷稳定传播。此外，该三维光学旋错超材料还可支持携带高阶轨道角动量的拓扑涡旋与反涡旋同时传输。

图1. 三维光学旋错超材料中的拓扑涡旋与反涡旋传输

图2. 拓扑涡旋模式与反涡旋模式的强度及相位分布

研究团队通过实验进一步验证了拓扑涡旋和反涡旋的传输特性，实验样品由印刷电路板组装而成（图3(a)）。借助图3(d)所示实验装置，团队先测得体态传输谱（图3(e)灰线），明确了三维光学带隙（橙色区域）；随后对比测量上、下表面激发下的传输谱（图3(e)蓝线、红线），发现带隙内出现两个传输峰，对应上下传播的拓扑涡旋与反涡旋模式。4.7GHz下的电场分布（图3(f)-(g)）显示，两种模式均束缚于一维旋错线缺陷传播，与图2(c)、2(f)模拟结果高度吻合；经傅里叶变换得到的实测色散关系（图3(h)-(i)），也与模拟结果（红线、蓝线）一致性良好，充分印证了实验结论的可靠性。

图3. 三维光学旋错超材料中拓扑涡旋与反涡旋传输的实验观测

研究团队还通过实验验证了三维光学旋错超材料中携带相反轨道角动量的拓扑涡旋与反涡旋模式可实现选择性激发及稳定传输。团队构建了可重构手性源生成手性可控的相位涡旋，利用涡旋源选择性激发拓扑涡旋模式（图4(a)），其实测相位分布（图4(b)-(c)）与图2(a)-(b)的模拟结果一致。将涡旋源分别置于超材料上下表面中心，测量结果（图4(d)-(g)）显示，上下表面激发均能实现拓扑涡旋稳定传输，且轨道角动量保持良好。相对应，反涡旋源激发实验（图4(i)-(n)）也证实，上下表面激发可实现拓扑反涡旋稳定传输，且相反轨道角动量维持完好。

图4. 基于手性源的拓扑涡旋与反涡旋传输选择性激发

研究团队在一维旋错线缺陷中心引入金属障碍物（图5(a)），进一步探究了拓扑涡旋与反涡旋传输的抗干扰稳定性。对比有无障碍物时的传输谱（图5(b)）发现，体态及两种拓扑模式的传输峰谷值近乎一致，表明即便存在金属障碍物，传输仍保持稳定。近场测量（图5(c)）直观显示，拓扑涡旋与反涡旋可绕行障碍物，沿旋错线缺陷继续传播，与模拟结果（图5(d)）高度吻合。金属障碍物存在时的实测相位分布（图5(e)-(h)）进一步证实，两种模式受障碍物影响极小，轨道角动量保持完好。此外，该传输模式对谐振器空隙随机偏差等其他干扰也具备良好耐受性。

图5. 拓扑涡旋与反涡旋传输的抗干扰稳定性

该研究首次在三维光子旋错超材料中，从理论与实验上实现了鲁棒的拓扑涡旋与反涡旋传输。相关模式可通过手性源选择性激发，传输过程对缺陷与障碍物具有较强稳定性。这项工作不仅首次将拓扑涡旋与反涡旋传输从二维推广至三维光子系统，在基于轨道角动量的光子器件中展现出重要应用前景，还为探索三维光子系统中动量空间能带拓扑与实空间拓扑线缺陷的相互作用构建了全新研究平台。目前该技术已在微波频段得到验证，未来可推广至更高频段，有望为量子通信、超分辨成像等领域带来革命性突破。

南方科技大学博士生綦荧枫、南方科技大学本科生徐思琦（已赴麻省理工学院攻读博士学位）、武汉科技大学讲师颜贝博士为该论文共同第一作者，南方科技大学高振副教授为论文唯一通讯作者，南方科技大学为论文第一完成单位。该研究工作得到了国家自然科学基金委和南方科技大学等单位的大力支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/dh5p-5nf6

供稿：电子与电气工程系

通讯员：綦荧枫