• 科研进展|黄子劲副教授发表Nature Reviews Physics论文,深度分析拓扑彩虹捕获机制

    最新新闻 | 2025-07-16

    近日,我校信息科学与技术学部电子科学与技术学院副教授黄子劲与雅典国立卡波季斯特里安大学助理教授Kosmas L. Tsakmakidis等合作者Nature Reviews Physics期刊发表题为 “拓扑彩虹捕获(Topological Rainbow Trapping)”的综述文章,系统地介绍了新的波动调控机制——拓扑彩虹捕获。该机制融合了拓扑物理与慢光工程的概念,从而在多种物理系统中实现具有鲁棒性和频率选择性的波动局域化。

    拓扑彩虹捕获允许波的不同频率成分减速并在空间上分离,形成类似彩虹的局域化分布。传统的彩虹捕获机制,依赖于折射率梯度分布,因此对制备缺陷极为敏感。然而拓扑彩虹捕获,得益于拓扑保护机制,即便在存在结构缺陷、能量耗散或杂质的情况下,波的局域性也能保持稳定。这从根本上增强了慢光器件的鲁棒性和功能性。

    在本综述中,作者深入探讨了Berry曲率、拓扑不变量(如Chern数)和合成维度的作用,展示了它们如何重塑群速度,并实现精确的、频率选择性的波动局域化。文章首次明确区分了由外部梯度驱动和由内在拓扑能带结构设计所产生的两类拓扑彩虹捕获机制。拓扑彩虹捕获被呈现为一种通用的、可扩展的且对缺陷具有鲁棒性的波动调控框架,适用于光子、声子和弹性系统。

    图1. 从传统彩虹俘获到拓扑彩虹捕获

    此外,作者将拓扑彩虹捕获背后的物理原理系统地划分为三类主要机制。第一类是折射率梯度驱动的捕获机制,即通过材料参数的空间变化形成群速度为零的点,从而有效减缓不同频率波的传播速度,并使其在不同位置被局域化。第二类是高阶拓扑角态机制,该机制出现在特殊设计的光子或弹性晶格中,能够形成深度局域的角束缚态,其对无序扰动和边界缺陷具有高度免疫性。最后一类是基于合成维度的捕获机制,通过频率或时间调制扩展系统的有效维度,实现波在非空间自由度上的局域化(见图1)。

    该综述还进一步探讨了实现拓扑彩虹捕获所面临的几个实际挑战,包括能量损耗、动态可调性和器件小型化问题。本文创新性的讨论了复频激发(complex-frequency excitations)的概念,该机制使系统能够通过暂时规避能量耗散来实现准稳定的波动局域化(见图2)。作者还强调,非厄米对称性破缺、逆向设计方法以及AI辅助优化在提升基于拓扑彩虹捕获器件性能方面具有重要潜力。

     

    图2.复频激发实现鲁棒性的波动局域化

    拓扑彩虹捕获不仅被视为波动物理中的一个基础概念,也为下一代光子和声子应用提供了一个多功能平台。其潜在应用方向包括片上多路复用与滤波、量子光-物质界面、非线性波动调控,以及等离激元系统中的亚波长能量采集等。该理论框架同样适用于光学、声学、弹性学以及非厄米介质,充分体现了其普适性与跨领域的广泛适用性。

    该文章标志着拓扑光子学与波动调控领域的一项重要进展,提供了统一的理论基础、清晰的机制分类以及可操作的设计策略,有望成为研究人员在实现高鲁棒性与多频率波动调控方面,深入理解物理机制与拓展应用场景的重要参考文献。

    宁波东方理工大学研究助理教授Sayed El. Soliman为该论文的第一作者,雅典国立卡波季斯特里安大学的Maria Barlou博士为论文的第二作者。宁波东方理工大学副教授黄子劲、雅典国立卡波季斯特里安大学助理教授Kosmas L. Tsakmakidis为共同通讯作者。

    论文链接:

    https://doi.org/10.1038/s42254-025-00836-2