Nature Light: Science Applications＞：拓扑光子学新进展！JR态实现纳米级精度光束整形

01 前言摘要

近日，韩国汉阳大学Jae Woong Yoon教授团队联合韩国先进纳米制造中心（KANC）及美国马里兰大学，在《Nature Light:Science&Applications》（IF=20.6）上发表了一项突破性研究。该团队首次通过实验验证了基于“拓扑光子学”原理的光束整形新方法，利用Jackiw-Rebbi（JR）态在介电超表面中实现了精确可控的平顶光束生成。这一成果为纳米光子学中的光束调控提供了全新范式，有望推动激光加工、量子通信等领域的技术革新。

02  核心内容

1. 原理创新  

   研究团队在介电超表面中人工构建Dirac-mass分布，利用拓扑绝缘体中的Jackiw-Rebbi态（一种存在于畴壁的零能拓扑态），实现对光波导模式的空间局域化调控。通过设计畴壁结构，将传统需要迭代优化的光束整形转化为拓扑参数的连续映射问题。

2. 实验突破  

   在通信波段（1.3μm）制备氮化硅光栅结构，观测到拓扑相变特征与Jackiw-Rebbi态共振  

   通过调控临界区域宽度（85-127.5μm），首次在泄漏辐射中实现平顶光束（flat-top beam）  

   开发被动式光场重构技术，从反射光场中分离出拓扑态辐射特征（图6）

3. 局限性突破方向  

   发现一阶衍射不均匀性导致光束不对称，提出复合晶胞结构方案——通过多脊光栅独立调控傅里叶谐波分量，从根本上解决精度瓶颈。

图1. 超表面中拓扑光束整形与Jackiw-Rebbi态工程原理图。

a 利用设计的狄拉克质量分布实现泄漏辐射光束整形的示意图。具有定制化驻波包络的导模共振（GMR）通过一阶衍射发射出所需的光束轮廓。

b 拓扑结处Jackiw-Rebbi(JR)态的特征性双指数衰减型包络轮廓f(x)（灰色虚线）。

c 产生(b)中JR态轮廓的相应空间变化狄拉克质量分布m(x)。

图2. 拓扑Jackiw-Rebbi态的实验实现。

a 所制备拓扑结器件的聚焦离子束图像：平面视图（比例尺5μm）、鸟瞰视图和截面视图（比例尺500nm）。

b 角分辨共聚焦显微镜装置示意图。Obj：物镜；OSA：光谱分析仪。插图中的图像显示了样品（可见光相机获取）和辐射图案（红外相机获取），白色虚线标出了拓扑界面。

图3. 展示拓扑相变和Jackiw-Rebbi态出现的角分辨透射光谱。

a 拓扑相，填充因子F=0.3，晶格常数a=880nm。

b 临界相，F=0.44，a=860nm。

c 平庸相，F=0.6，a=840nm。

d 拓扑结样品，揭示了带隙内的局域化JR态。

图4. Jackiw-Rebbi态的空间特性。

a 样品及测量区域的可见光相机图像。

b 结结构的角分辨透射光谱。

c 正入射下的局域共振光谱，插图为JR共振波长处（红色虚线标记）的反射率分布。

图5. 平顶光束整形的实验实现。

a 用于产生平顶光束剖面的结构设计示意图，展示了平庸相（蓝色）、临界相（绿色）和拓扑相（红色）。比例尺为2微米。

b-c 分别对应85微米和127.5微米平顶区域宽度的结结构局部透射谱。插图为JR态共振波长（红色虚线，1.3微米）处的反射谱，结果展示所实现的平顶光束剖面。

图6. 不同狄拉克质量构型下测得的辐射泄漏分布ULR (x,z)。

a-c 分别展示临界相宽度w为0、85微米、127.5微米的拓扑结结构。

d 狄拉克质量恒定(w=500微米)的传统导模共振结构。左侧面板显示|x|≤200微米、0≤z≤200微米区域的二维分布。右侧图表对比实验测量光束剖面（黑线）与有限元法模拟结果（灰线）。底部面板呈现对应测量区域的狄拉克质量分布m(x)。

01 研究意义

1. 科学价值  

   首次将拓扑物理中的JR态直接应用于光束整形，为纳米光子学提供了基于拓扑保护的新自由度。  

   揭示了布拉格反射率与Dirac质量之间的深刻类比关系，拓展了拓扑光子学的应用边界。  

2. 应用前景  

   激光技术：可优化表面发射激光器的模式控制，提升单模输出稳定性（如量子通信光源）。  

   生物医学：平顶光束适用于激光手术、光遗传学等需要均匀能量分布的场景。  

   量子计算：拓扑保护的光子态可增强量子信息的传输鲁棒性。  

3. 未来方向  

   进一步探索高维拓扑相位（如高阶拓扑绝缘体）在光束整形中的应用。  

   结合机器学习优化复合单元结构设计，突破衍射极限实现更复杂的光场调控。

02 结语

这项研究标志着拓扑光子学从理论走向实用的关键一步。随着纳米制造技术的进步，基于拓扑原理的光束整形有望成为下一代光学器件的核心设计范式。

“这项工作将凝聚态物理中的拓扑保护机制引入光子器件，为定制化光场提供了‘物理编码’的新思路。”——通讯作者Jae Woong Yoon

Doi:https://doi.org/10.1038/s41377-025-01799-w

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