近日，南京大学王漱明团队以「Chip-scale metaphotonic singularities: topological, dynamical, and practical aspects」¹为题在Chip上发表长篇综述论文，对光子奇点在各种物理学科下的表现形式进行了总结，围绕拓扑、动态及应用方向对已有研究成果和未来发展方向做出了展望。共同第一作者为李添悦和刘梦蛟，通讯作者为王漱明、蔡定平、祝世宁和王振林。香港城市大学王书波教授亦对本文有重要贡献。

奇点指的是在特定点上，常规法则失效的情况，如黑洞中心或物质相变时，属性可能变得无法定义。这一概念源自数学领域，后广泛应用于物理学，特别是在光学物理中，奇点的存在使研究新奇现象成为可能，并推动了技术的应用发展。文章对各种光子奇点进行了综述，将它们分类为实空间、动量空间以及其他参数空间的奇点，如图1所示。包括偏振奇点、相位奇点、无极子奇点；BIC诱导的奇点、Dirac点和Weyl点以及异常点等，从拓扑特性、动态演化和应用潜力三个方面探讨了它们的研究价值。

图1 不同物理系统中存在的光学奇点现象。

通常来说，对奇点周围的封闭路径进行积分，会得到一个体系的拓扑不变量，可用来描述奇点的拓扑特性。文章中在介绍每一种奇点的同时，对其拓扑特性及拓扑荷数的定义做出了介绍。接下来，作者们还介绍了在微纳光子学中如何构造奇点现象。对于远场奇点，涡旋光场所携带的轨道角动量及其衍生产物被广泛研究，如光学莫比乌斯带、斯格明子等，这要求对相位梯度超构表面进行特殊设计；如若获得动量空间中的奇点，则需设计周期性光学晶格，如Dirac超构表面等。

图2为起点的动态演化特征。有些奇点在传播过程或绝热变换中的拓扑特性是守恒的，也就是说，局部的属性有可能会改变，但全局仍然不变，如自旋-轨道转换过程中的角动量守恒^2、3，BIC诱导的偏振奇点的分裂与合并⁴。

图2 奇异点的动态演化。a，多维超构表面的各向异性超原子。由各向异性元原子组成的超表面（上图），显示了入射光在不同偏振状态下可能的出射偏振响应。J-板和两种TAM板（下图）。b，蜂窝光子晶体及其单元胞满足C?对称支持量子自旋霍尔效应（上图），自旋动量锁定拓扑特征（下图）。c，谷-霍尔晶格及其相关的谷霍尔晶格。d，单金属散射体和多金属散射体的c线和v线奇异动力学。e，通过调整参数将偶发BIC合并为对称保护BIC，从而形成MBIC。f，FW-BIC与偶发BIC的合并。g，不同方向环绕奇异点的轨迹（上侧）和不同波导模式之间的不对称切换示意图，以及上述奇异点环绕（下侧）的投影。h，通过调整通道波导的核心宽度w?和隧道势垒宽度分布g?来动态环绕奇异点，从而实现宽带宽拓扑时间不对称的硅波导结构设计。i，全偏振器示意图，相反的操作产生互补的偏振本征态。j，能够同时发射两种不同模式的单横模环绕奇异点激光器的示意图，每种模式都来自不同的面。k，基于反PT对称体系中环绕奇异点的传统偏振器与手性偏振器的比较，对于后者，任意输入偏振态在正向（反向）传播时，输出偏振态将旋转到垂直（水平）方向。

在应用方面，文章从片上光学路由、激光和传感、光学微操控和光力学、集成成像和显示三个方面对光学奇点所衍生的应用做出介绍，展现了光学奇点在微纳光学中重要的物理思想和强大的应用潜力。图3所示为基于超构光子学奇点的光子拓扑器件，图4则为超构光子奇点赋能的光学微操控研究⁵。

图3 超构光子奇点的片上应用。a，为由量子自旋霍尔效应引导的拓扑边缘态，上图为配置和能带结构，下图为归一化强度。b，基于谷霍尔效应的样品及其能带结构（上图），以及三种实验结果（下图）。c，假自旋-谷耦合的拓扑光子路由器，左图为配置及相应的Chern数，右图为实验结果。d，由混合拓扑器件驱动的多通道、多频段拓扑路由。e，芯片上的拓扑彩虹器件，其超胞和场分布从左到右显示。f，拓扑错位局域态的概念、样品和结果。g，拓扑缺陷状态及其在拓扑缺陷内的体-缺陷对应。h，基于自旋霍尔效应的狄拉克体态激光器。i，受质量项控制的拓扑腔，带有单元胞扰动。j，拓扑腔表面发射激光器及其表征结果。k，奇异点驱动的单模激光器，两个增益-损耗环具有PT对称性。l，BIC诱导的OAM微腔激光器，用于超快切换。m，偏振奇点介导的可调光子晶体激光器，能带结构（左图）和实验结果（右图）。n，基于PT对称微谐振器的纳米光子陀螺仪，其中绿色（蓝色）实线对应泵浦1（泵浦2）的角频率ωp1（ωp2），红色（黄色）实线表示SBL 1（SBL 2）。橙色波浪线代表角频率为Ω的声子。o，基于奇异点的IgG传感器，源于双层等离子体结构的平移对称性破缺。

图4 a，光学集成超构光镊-光扳手（左图），能够分别生成用于光学捕获的高斯光束和用于光学扳手的聚焦轨道角动量（OAM）光束。b，双层光子晶体中由BIC介导的光学力，当αtop=αbot时，可视为光镊，而当αtop≠αbot时，它变成光学扳手。c，当纳米粒子嵌入拓扑波导时，由不匹配模式引导的光学牵引力。d，由动量拓扑诱导的光学牵引力，通过散射动量和入射波矢在动量空间同向实现。e，基于近场旋转向量的光学斯格明子（左图），通过光力探针方法展示（右图）。f，光力系统中的非厄米效应，左侧是两束光与粒子的相互作用，中间是粒子在总强度中的正负动量涡旋，右侧是由此产生的异常点。g，奇异点引起的光波导分选。装置中的光力分布显示在左侧，由TE-TM模式形成的诱导奇异点在右侧。

        总的来说，本文全面系统地回顾了各种光子奇点及其独特属性和相应的物理机制。此外，还探讨了这些奇点的动态行为及其相互作用，如合并、分裂和守恒关系，揭示了如何操控和利用这些奇点实现多功能性。重要的是，本文详细介绍了基于各种光子奇点效应的超构器件，展示了光子奇点在实际应用中的巨大潜力，为实现复杂结构光开辟了新可能；不同类型奇点之间的耦合和协同效应正逐渐扩展到更广泛的时空领域，以及在光操控、集成成像系统和通信等领域显示出重大价值，显示了片上奇异光子学广泛应用的前景。

展望未来，作为一个充满活力且迅速发展的前沿领域，超构光子奇点无疑将在推动光子技术的创新和发展中发挥越来越重要的作用。首先，深入探索和揭示不同奇点之间的内在联系，并建立全面而连贯的理论，对于加深我们对奇点物理的理解至关重要。其次，精确控制各种奇点的动态行为将极大推动片级光子设备的发展，不仅推动光子学的小型化和集成化，还可能将光电子技术引向更高效和智能的方向。作者们对奇点光子学的前景持乐观态度，坚信这一充满活力和创新的领域将继续为光子技术带来革命性的变革和发展，为科学研究和工程应用带来更多成果。

参考文献

1. Li, T. et al. Chip-scale metaphotonic singularities: topological, dynamical, and practical aspects. Chip 3, 100109 (2024).

2. Li, T. et al. Generation and conversion dynamics of dual Bessel beams with a photonic spin-dependent dielectric metasurface. Phys. Rev. Appl. 15, 014059 (2021).

3. Li, T. et al. Spin-selective tri-functional metasurfaces for deforming versatile non-diffractive beams along the optical trajectory. Laser Photonics Rev. 18, 2301372 (2024).

4. Kang, M. et al. Merging bound states in the continuum by harnessing higher-order topological charges. Light Sci. Appl. 11, 228 (2022).

5. Li, T. et al. Integrating the optical tweezers and spanner onto an individual single-layer metasurface. Photon. Res. 9, 1062-1068 (2021).

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2709472324000273

文章来源于FUTURE｜远见公众号。