拓扑光子学：打造光子专用“高速公路”

王握文通讯员毛元昊王涵钰

2019-10-11 14:48:56　来源：解放军报

光子如无障碍一样绕过Z型拐角示意图

　　●它能让光子拐弯，也能让光子勇往直前“不回头” ●它能让光子“包容”各种缺陷，具备强抗干扰能力 ●它在军事通信、光子芯片、激光等领域应用前景广阔

　　光束沿直线传播，这是一个普通物理学常识。如果有人告诉您，光束也可以拐弯甚至急转弯，您也许会说：“在做梦吧！”

　　实际上，很多科学发现就在于先有“梦”而后“梦想成真”。如今，让光束转弯的科学梦想已经成为现实。2009年10月，国外一研究团队利用光学拓扑理论，设计出一个能控制光束的器件，能让光在这个器件中绕过障碍物继续传播。这一科学发现，颠覆了人们对光束的传统认知，引发了国际科学界的广泛关注。

　　传播速度极快的光束为何能拐弯，甚至能绕过障碍物呢？其中的奥秘就在于，光子拥有一条专用的“高速公路”。现在就让我们一起来揭开它神秘的面纱。

　　用好拓扑学，改变光束直线传播

　　光束的本性是沿直线传播，怎样才能改变其本性呢？这必须依靠拓扑学。作为近代发展起来的一个研究连续形变现象的数学分支，拓扑学相对深奥，我们可以通过简单类比来理解。简单地说，拓扑是研究几何体中含有“孔洞”个数（即“拓扑数”）的一门学问。比如说，人们喜欢的美食甜甜圈、健身用的呼啦圈，在结构中都有一个洞，在数学上，我们可以将这种中间有且只有一个“孔洞”的结构，归为一类，看作是只有一个“孔洞”的圆环体。对于篮球、足球、西瓜等没有“孔洞”结构的物体，则将其归为另一类。它们虽然都属于圆环体，但前者“孔洞”个数为1，后者为0，结构不同，在性质上就存在很大的差异。简单地说，按照不同物体中所包含的“孔洞”个数进行分类，并对“孔洞”个数相同的物体进行性质上的类比，就是拓扑学意义上的分类。

　　拓扑学是一个很神奇的数学概念，它进入物理学领域后，最早被用来描述物质中电子运动规律，并由此发现了“拓扑绝缘体”。这一新奇的材料相比于不导电的橡胶等普通绝缘体，虽然同样能阻止电荷流动，但在其表面犹如为电子开辟了一条“高速公路”，可以让电子无障碍、低损耗地高速穿流。

　　“拓扑绝缘体”这一独特功能，让物理学家们浮想联翩。2008年，物理学家邓肯·霍尔丹提出了打造“光学拓扑绝缘体”的新奇构想。他的设想是，当两种具有不同拓扑数的材料紧密拼接在一起时，其界面处必然会产生一个光学拓扑边界态。如此一来，耦合到物质表面的光，自然不会也不需要穿入物质体内，经历犹如塞车般的“散射和吸收”，而乖乖地走上了属于自己的那条表面通道。这个光学拓扑边界态就相当于光子的专用“高速公路”，但它并非是一条直线，而像普通道路一样有大小不等的弯道，光子在这条“高速公路”上传播，只能沿着弯曲的道路通行，即在物质表面“曲线传播”。这样，就改变了光束直线传播的本性。

　　“只有想不到，没有做不到”。如今，这条光子“高速公路”在科学家们的不懈探索与创新中，已经走进现实。这就是由拓扑学发展而来的“拓扑光子学”。

　　拥有奇异特性，彰显超强本领

　　在这条光子专用的“高速公路”上，处于光学拓扑边界态的光子，只能沿着边界传播。与传统导光介质相比，其拓扑保护性质使光学拓扑绝缘体具备了许多独特本领。

　　让光子奔跑畅通无阻。在光学拓扑绝缘体中，利用叠加偏振方向相互垂直的两种光，可以模拟出类似电子所具有的自旋特性。如此一来，在光学拓扑绝缘体边缘，“自旋属性”不同的光波组合分别归属于不同的“通道”，避免两类组合之间相互干扰。光子传播“通道”就从狭窄的“林间小路”升级为宽阔通畅的“高速公路”，当遇到散射体时，不会“掉头就走”，即不会发生背向散射现象。这样不仅可以巧妙地实现“单向通光”的功能，更能极大地提高光子中负载信息的传输效率。

　　让光束能够拐弯。光学拓扑态是由两种具备不同拓扑数材料紧密相连所构成的一个物质界面，这就使得进入界面的光子注定只能在“夹缝中求生存”，它只能沿着两个物体的接缝处传播。这样就可根据需要，在材料接缝处随心所欲地进行大角度弯折，即便做成诸如“Z”字形状，光子都能“奔跑”自如。也就是说，无论前进道路多么曲折，它都能勇往直前，让光束急转弯不再是神话。

　　让光子“包容”缺陷。在传统认知里，光子是一个“完美派”，所到之处，必须环境清洁、稳定，否则就会在传播中散射或被吸收，从而使许多光学实验无法正常进行。在许多光学加工及元器件生产过程中，需要采用超高精度加工手段来减小对光束的影响，这导致加工和生产成本过高。如果采用拓扑光子学方法，则能很好地解决这一问题。因为光学拓扑边界态十分稳定，具有拓扑性的光子即使遇到瑕疵或缺陷时，系统的拓扑数也并不会发生改变。这种对缺陷的“包容”性，使得光学拓扑绝缘体具备很强的抗干扰能力。

　　军事应用潜力巨大，后发优势尤为明显

　　作为一种奇异的光子传输状态，光学拓扑边界态所具备的“独门绝技”，是其他光学效应无法比拟的。2013年，科学家们已在实验室成功研制出首个光学拓扑绝缘体。他们巧妙地设计出一种独特“波导”网格，能显著减少传输过程中光的散射，为未来各类光学应用打开了一扇新的大门。如今，大量实验证明，光学拓扑绝缘体所具有的优越性能，使其在通信、光集成等领域具有广阔的应用前景。尤其是在军事应用上，它已成为“潜力股”，具有十分明显的后发优势。

　　构建超稳定光学通信线路。现代高速通信的基础主要采用遍布海底的高速光缆，信号在极远距离上的传输与放大一直是制约通信速度提升的核心问题之一。当光纤对信号所产生的背向散射光不断叠加，又与信号光同频率时，就会构成对信号的干扰。如果利用有拓扑保护性质的光子晶体光纤，就可以有效解决这一问题。因为，光学拓扑边界态的单向传输特性，不仅能够实现超高速的光学信号传输，更重要的是能够实现低功率、高保真的超稳定通信。这将为军事应用中的一体化信息网络建设提供有力支撑。

　　推动光子芯片技术发展。现代信息技术的核心是电子芯片。半个世纪以来，芯片的性能提升一直遵循着“摩尔定律”，即每18个月性能提升一倍，但电子芯片发展并非无极限。因此，科学家们正尝试研发光子芯片，利用光子取代电子成为逻辑运算的基本载体，成为新一代具备颠覆性能力的计算核心。与内含铜导线电子芯片不同，它利用光束可沿大角度、低损耗传输的优势，极大提高芯片的性能和信息处理的安全性。一旦研发成功，将推动军事领域新一代光计算元件开发，提升有关信息处理能力，并实现完全自主可控。

　　打造高效激光光源。激光是利用谐振腔对种子光的来回反射实现光放大，而谐振腔内的瑕疵会影响激光损耗阈值，从而使激光输出功率大幅降低甚至无法出光。如果利用光波对结构缺陷的免疫能力，采用光学拓扑绝缘体设计的谐振腔，则可以完美避开腔内瑕疵，使激光器工作效率更高、性能更稳定。未来，以拓扑绝缘体激光器为核心的新型有源拓扑光子器件，将为军事通信、战场感知等信息化作战领域带来革命性变化。

　　（专家小传：杨镖，国防科技大学前沿交叉学科学院纳米科学系讲师、博士，入选2019年度“香江学者计划”。主要从事拓扑光子学、超材料等方向研究，在《科学》《自然·物理》《自然·通讯》等国际权威期刊发表论文10余篇。）

编辑：迟语洋

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