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来源：网络信息综合 1. 基于超构透镜阵列的高维量子纠缠光源 由南京大学祝世宁(院士)、王振林(教授)、张利剑(教授)和王漱明(副教授)团队、香港理工大学蔡定平(教授)团队、中国科学技术大学任希锋(副教授)团队和华东师范大学李林研究员组成的联合团队，通过结合超构透镜阵列与非线性晶体光效应的物理过程，成功制备出了高维路径纠缠光源和多光子光源。他们的研究报告“基于超构透镜阵列的高维纠缠和多光子量子光源”于2020年6月26日发表在《科学》（Science）杂志上。 随着光量子信息技术的发展，基于非线性光学过程的纠缠量子光源在维度扩展以及光子数增加方面所面临的光学系统复杂、可集成度低、稳定性弱等问题，制约着光量子信息处理的大规模集成。一种称为“超构表面”的微结构薄膜材料为量子光源及光量子信息技术的发展提供了一条新路径。 科研团队将超构透镜与非线性光学晶体（β相偏硼酸钡晶体，简称BBO晶体）组合在一起，构成全新的超构表面量子光源系统。他们设计并制备出10×10超构透镜阵列，使用泵浦激光入射到该系统：让超构透镜阵列将泵浦激光均分成10×10份，并在BBO晶体中聚焦；聚焦的泵浦光在BBO中发生自发转换，从而产生一系列信号/闲置光子对。 理论上，这一由超构透镜与BBO晶体组合在一起所制备出的路径纠缠光子的维度是100维。如果增加透镜阵列数，纠缠光子的维度还可以进一步提高。 他们用波长404 nm的连续激光作为泵浦光，测量超构透镜阵列中的不同超构透镜产生的光子之间的纠缠特性，所得到的二维、三维以及四维路径纠缠态的保真度分别达到98.4%、96.6%和95.0%。而且，超构透镜具有灵活的光场调控能力，可以对光场的相位、偏振、振幅等集成调控，从而进一步调制纠缠态。 该系统也可以用于制备简易紧凑的多光子源。实验中科研人员利用415 nm的飞秒激光作为泵浦源，分别测量了由该系统制备的4光子和6光子的符合曲线，并展示了4光子Hong-Ou-Mandel干涉的结果，得到很高的干涉对比度。这说明产生的多光子量子光源具有很好的性能。 该科研团队实现高维度、集成化的纠缠光源和多光子源制备，突破了现有量子光源的技术瓶颈和信息编码维度限制，有望应用于高维度的量子通信、量子计算、量子存储等领域。 A.高维量子纠缠光源示意图 B.超构透镜阵列光学照片 C.超构透镜扫描电子显微镜照片 D.100路参量下转换光子对 E.三维路径纠缠测试结果 F.四维路径纠缠测试结果 图. 基于超构透镜阵列的高维量子纠缠光源
2. 发现并揭示莫尔晶格中波的演化规律 不管是声波、水波，还是电磁波、引力波、物质波，各种波总是倾向于向周围扩散。因此，控制波的扩散使其局域在某个有限的空间之内是个长期存在的重要科学问题。 上海交通大学物理与天文学院教授叶芳伟课题组与陈险峰课题组合作，发现并揭示了一种新的波包局域机制——基于莫尔晶格的极平带结构。这一发现有助于科学家们深刻理解凝聚态物相的性质特点及其演化规律，在人们的生活中也具有广泛的适用性。该研究形成的论文于2019年12月18日在线发表于《自然》。 这里所谓的莫尔晶格，一般是指将晶格材料的两个周期结构重叠在一起之后再彼此转动一定的角度，这样形成的莫尔晶格对入射光的应答效应就是人们能看到它的明暗相间的条纹，此即莫尔条纹。 叶芳伟课题组的博士生王鹏（论文第一作者）在利用两把梳子展示了莫尔条纹后说，这可能是世界上最简单的莫尔条纹，但如果你留心观察的话，你会看到莫尔条纹在艺术设计、纺织业、建筑学、图像处理、测量学和干涉仪等方面都有一些独特的应用。 二维材料石墨烯（单层石墨）是研究莫尔晶格的典型样本，也是现代科技广泛应用的高科技材料。科学家们在研究石墨烯时惊奇地发现，由两层石墨烯堆叠而成的莫尔结构在某个特定的转角下，魔幻般地呈现出超导性：电流在其中流动时几乎完全没有损耗。这种超导性不是来源于单层石墨，而是因为莫尔晶格从根本上改变了材料的性质。 当科学家们接着研究其它各种各样的莫尔结构时，竟发现了莫尔晶格的更多新奇独特的物理性质，并形成了一个专门的研究方向：twistronics（扭曲学）。 但是，一个根本的科学问题——波在莫尔晶格中如何演化却一直悬而未决。 为此，研究人员利用光学诱导的办法，将两个周期晶格写入同一块晶体中，得到了首个高度可调的光子莫尔晶格。借助于该莫尔晶格的连续可调性，并通过大量的数值模拟和实验证实，课题组发现了波包在莫尔晶格中的演化规律：随着两个周期晶格的相对权重和它们之间相对转角的变化，波包在莫尔晶格中演化时会出现波形散开和局域的急剧变化。 令人惊讶的是，光束竟能被莫尔晶格局域。经理论分析辅以大量的数值模拟，研究人员发现，在一般情况下（除非莫尔转角刚好落在某些离散的特殊角上），莫尔晶格对应的准能带结构中的各级能带都是极平带。这说明光子在莫尔晶格里失去了动能，再无法扩散，也就是只能局域。这种莫尔晶格中光子局域的物理机制和人们已知的其它环境下的局域机制完全不同，是一种全新的局域方式。 研究人员还研究了其它形形色色的莫尔晶格样本。通过大量的测试，发现光子在莫尔晶格中的局域以及特殊莫尔角下的散开其实是莫尔晶格的一种共性。 莫尔晶格提供了对光控制的一种全新手段。相比于之前将波局域的方式，莫尔晶格提供的局域方式更加简单易行。它既不需要较强的折射率反差，也不需要特殊的结构设计，更不依赖于较强的激光功率，同时又具有高度的可调性。 也就是说，通过简单的莫尔转角的调节，光子可以自由地从“静止”转为“运动”，也可从“缓慢”的运动转为高速的“运动”，达到动静皆宜、快慢自由。 总之，莫尔晶格为光束控制、图像传输、信息处理等提供了一种更加简单易行的手段，也为研究低功率下的非线性光学提供了一个易于执行的平台。 3. 亚纳米分辨的单分子光致荧光成像 中国科学技术大学侯建国院士团队的董振超研究小组，在近场荧光成像领域取得重要进展，将成像空间分辨率大幅推进至～8Å的亚纳米分辨水平，首次实现了亚分子分辨的单分子光致荧光成像，为在原子尺度上展显物质结构、揭示光与物质相互作用的本质提供了新的技术手段。该成果于2020年8月10日在线发表于《自然·光子学》。 审稿人认为，“这将是该领域里的一篇重要文章，并在广泛的研究领域中产生重大影响。这项工作对于利用原子尺度的光来开展超灵敏光谱显微学研究，无论是从基础科学的层面，还是从可能应用的角度，都具有重要意义。” 用光实现原子尺度空间分辨因为受制于衍射极限曾被认为是遥不可及的目标。扫描近场光学显微镜（SNOM）的出现为实现这一目标带来了希望。空间分辨率的极限不再受衍射极限制约，而是取决于实现探针下光场空间局域化的能力。早在2013年，该团队利用金属纳腔等离激元场的局域增强效应，首次展示了亚纳米分辨的单分子拉曼成像。然而，荧光发射与拉曼散射不同，分子荧光在金属结构非常靠近分子时会由于非辐射过程被放大并占主导而导致荧光信号淬灭，也就是限制了近场荧光显微镜的分辨率，使得迄今为止的SNOM荧光成像空间分辨率很少达到10 nm左右的水平。如何巧妙调控探针尖端的结构和纳腔中分子的电子态便成为克服荧光淬灭、实现高分辨光致荧光成像的关键。
图：亚纳米分辨的单分子针尖增强光致发光（TEPL）成像的科学原理示意图和 测量结果与分析. 该团队着眼于攻克等离激元纳腔结构的精细调控和探针尖端原子级结构的制作与控制，通过精致的针尖修饰方法在探针尖端构筑了一个原子尺度的银团簇突起结构，并将纳腔等离激元共振模式调控到与入射激光和分子发光的能量均能有效匹配的状态，再采用超薄的三个原子层厚的介电层隔绝分子与金属衬底的电荷转移，从而成功实现了亚纳米分辨的单分子光致发光成像。 他们惊喜地发现，当探针逼近分子时，即便间距在一纳米以下，光致发光的强度还是一直在随间距的变小而单调增强，通常存在的荧光淬灭现象完全消失。进一步的模拟和分析表明，原子级突起的探针与金属衬底形成等离激元纳腔时，纳腔等离激元的共振响应和原子级突起结构的避雷针效应会产生协同作用，从而在针尖下方诱导出显著增强和高度局域的电磁场，将腔模式体积压缩到1 nm3以下，使得局域光子态密度及其催生的分子辐射速率极大增加。由于这些效应能抑制针尖逼近分子时的荧光淬灭，使得亚纳米分辨的光致发光成像得以实现。他们的科研实践说明，要达到亚纳米空间分辨，探针尖端的尺寸及其与样品之间的距离都必须在亚纳米尺度上。 此外，他们还进一步实现了亚分子分辨的具有频谱信息的光致发光超光谱成像，在亚纳米尺度上展示了局域等离激元-激子相互作用对荧光强度、峰位和峰宽的空间分布的微妙影响。这些实验结果为在亚纳米尺度上探测和调控分子局域环境、以及光与物质相互作用提供了新的技术手段，对于近场光谱学和显微学的基础认知与技术发展都有重要意义。 德国光科学马普所的Vahid Sandoghdar教授和西班牙材料物理中心的Javier Aizpurua教授参与了该课题的合作研究。 4. 狄拉克涡旋拓扑光腔 拓扑光子学始于拓扑边缘态作为鲁棒波导的发现，而另一种较常用的光学元件——光腔也可利用拓扑缺陷态做出性能上的创新。由中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室研究员陆凌等人组成的研究团队，用实验证实了他们从理论上预言的一种新拓扑光子晶体微腔——狄拉克涡旋腔。它支持任意简并度的腔模，而且在目前已知光腔中，大面积单模性较好。认知这个拓扑光腔，可以改进半导体激光器的选模腔体设计，为开发下一代高亮度单模面发射器件提供方向，这对激光雷达和激光加工等技术有潜在意义。该研究成果以Dirac-vortex topological cavities（狄拉克涡旋拓扑腔）为题，在线发表在Nature Nanotechnology（“自然 纳米技术”）上。 半导体激光器因其体积小、效率高、寿命长、波长范围广以及易于集成和调制等优点被应用于通信、加工、医疗和军事等领域。其中，单模器件因其较为理想的线宽和光束质量，成为众多应用的首选。由于单模工作依靠的均是光子晶体结构（图1），如何选模成为关键。整个光纤互联网络的光源是分布式反馈激光器（Distributed Feedback:DFB，图1左上），早期的DFB激光器采用一维周期光栅结构选模，但因为两个带边模式会相互竞争，导致单模工作不很稳定。解决方案是引入一个缺陷（1/4波长的相移，图1右上），进而在光子带隙正中间产生一个缺陷模式，以保证单模工作稳定。现在广泛用于近距离通讯、光电鼠标、激光打印机和人脸识别的垂直腔面发射激光器（vertical-cavity surface-emitting lasers:VCSEL）的谐振腔也是利用带间缺陷态作为选模指标。然而，上述采用一维光子晶体选模的两种主流产品因为没有周期结构带来的方向选择而难以在尺寸上超过波长量级，不然就只会是多模激射。器件的波长尺度无法放大，单模功率也就遇到阻碍。 一个自然的提高单模功率的方案是采用二维光子晶体结构。2017年，日本滨松公司推出了二维光子晶体面发射激光器（photonic-crystal surface-emitting lasers:PCSEL，图1左下）。虽然这个产品具有大面积单模输出、高功率、窄发散角等优势，但PCSEL至少仍然有两个高品质因子（Q）的带边模式相互竞争。因此，如果能像一维主流产品DFB和VCSEL那样设计出鲁棒的二维带间缺陷模式，就有可能成为未来高功率单模激光器的重要方向。 狄拉克涡旋光腔是具有二维带间缺陷模式的拓扑光腔。研究团队意识到DFB及VCSEL中的一维缺陷态其实是拓扑的，在理论上与一维拓扑模型相等价，包括Shockely，Jackiw-Rebbi和SSH模式。在高能物理中，一维Jackiw-Rebbi模式有直接的二维对应，被理解是狄拉克方程的质量涡旋解。拟合到凝聚态体系的蜂窝晶格中可以用广义的Kekulé调制来实现（HCM模型）。 研究人员通过涡旋调制狄拉克光子晶体设计出这种拓扑光腔，并在实验上利用硅晶片（SOI）和光通信波段（1550nm）实现了这种狄拉克涡旋腔（图1右下）。实验显示，这种拓扑光腔可实现带间单模、任意多简并模式、最大的自由光谱范围、小远场发散角、矢量光场输出、模式面积从微米到毫米范围可调以及多种衬底兼容等特性。 有别于其它已知光腔，大面积单模性狄拉克涡旋腔有利于提高单模激光器的功率和稳定性。光腔的单模性一般用自由光谱范围（FSR）表征，光腔的模式间距（FSR）与模式体积成反比（V-1）。要增大FSR的途径之一就是减小腔的体积。在同等模式体积下，狄拉克光腔会因为光子态密度因素使其FSR超过普通光腔（大1-2个数量级）。此外，具有任意模式简并度是狄拉克涡旋腔的另一个较为独特的特点。因为体系的拓扑不变量为涡旋的缠绕数（winding number:w），所以拓扑中心腔模的数量等于w，可以是任意正负整数，而且所有w个拓扑模式都接近频率简并。图2右展示了w=+1,+2,+3的实验光谱。高度简并光腔能降低多模激光的空间相干性，可用于激光照明技术中。
图1. 狄拉克涡旋光腔与三种商用单模半导体激光腔的比较，这一发明符合产品的历史趋势，即从一维到二维，从边发射到面发射，从周期结构到拓扑缺陷模式的发展
图2.（左）狄拉克腔光谱随着腔大小的演化和过偏振片后的远场光斑。（右）拓扑腔模的数量和简并度等于涡旋的缠绕数w，图中是w为1，2和3时的实验光谱 5. 单分子回声 华东师大精密光谱科学与技术国家重点实验室科研团队在单分子超快动力学领域取得重要突破。他们利用超快飞秒激光和符合探测技术，首次实验观测到了单分子体系内的超快振动回声。研究成果以“Echo in a single vibrationally excited molecule（在单个振动激发分子中回声）”为题，于2020-1-20日发表在《自然物理》。以色列魏兹曼研究所（两人）参与了研究合作。 声波的回声是一种常见的自然现象，当声波在传播过程中遇到障碍物时，将被反射形成回声。非线性体系在受到外部激发后，由于体系中不同的组分具有不同的能量，激发的相干响应会迅速退相，而此时通过对系统的二次激发可以有效“还原”初始的相干状态，即回声的产生。回声存在于物理系统中，如自旋回声、光子回声、等离子波回声、粒子加速器回声等。利用回声现象可以检测系统的相干性和观测系综的一些固有性质，在很多方面得到应用，例如医学上利用电子自旋回声进行核磁共振成像。 过去一般认为回声是一种存在于多粒子系综内的集体响应。当华东师大吴健教授领衔的团队首次在单分子层面实验中观测到振动波包量子回声现象后，他们对回声现象有了更深入的理解。 双缝衍射实验被誉为最经典的单粒子量子干涉物理实验。在双缝实验中，每次最多只有一个电子或光子到达双缝，单光子或单电子以叠加态的形式“同时”穿过两个狭缝后，在观测屏幕上呈现出独特的空间干涉条纹。与之类似，单分子回声是在一束飞秒(10-15秒)激光脉冲的作用下，激发出多个振动波函数相干叠加构成的振动波包。虽然振动波包由于色散快速退相，但科研人员利用了第二束飞秒激光脉冲实现振动波包的重构，即分子振动回声。在探测光的作用下，通过符合探测分子解离产生的离子信号，扫描探测光延时即可在时间域上获得与双缝衍射实验相似的分布结构。与传统的回声概念相比，由于振动波包回声发生在单个的孤立分子内，表现出强烈的量子效应。
图｜单个氩二聚体分子的振动波包随时间的自由演化，在时间轴上呈现出与单粒子双缝衍射实验类似的干涉条纹结构 吴健教授团队长期开展激光诱导分子超快动力学行为的精密测量和调控的实验研究。在实验中，团队利用两束400nm的飞秒激光脉冲激发振动回声波包，当两束脉冲延时为T时，通过泵浦-探测技术，第三束800nm的探测光可在2T附近观测到回声信号。在tp=0时刻的泵浦光强激光场的作用下，基态的氩二聚体分子发生单电离，能使振动核波包并回到分子离子的基态势能曲线上，随后核波包滑向势能曲线底部并开始来回振荡。当波包运动至对应的单光子耦合点时发生解离跃迁，并被符合成像探测器测量到。由于波包内的不同振动态具有不同的能量，三个明显的振荡周期过后，波包发生退相。研究人员在tp=1.36ps时施加第二束飞秒激光脉冲，利用交流斯塔克效应和解离损耗两种机制产生回声。扫描探测光的延时，使得波包发生解离即可“拍摄”振动波包回声的时间演化行为。 以色列魏兹曼研究所的研究团队的半经典、全量子的理论模拟很好的重现了这个实验观测结果，验证了单分子回声产生的物理机制。
图a：氩二聚体分子离子的势能曲线 图b：不同时间延时对应的单电离解离通道和库伦爆炸通道的原子核能量分布 图c：单电离解离通道产率随延时的变化 6. 金属钠：助推等离激元光子器件走向应用 表面等离激元，在微纳光子器件和光子集成、超分辨成像等领域具有广阔的应用前景，而金属钠膜的制备是钠基等离激元器件首先需要解决的问题。南京大学与北京大学、佐治亚理工学院等研究组合作，利用金属钠所具有的低熔点特点，采用独特的液态金属旋涂工艺制成金属钠薄膜，首次揭示了金属钠膜的优异光波段等离激元特性。在此基础上研制的钠基通讯波段激光器，创造了同类等离激元纳米激光器室温激射的阈值新低。这一成果于2020年5月发表在《自然》杂志上。
据南京大学朱嘉教授介绍，一直以来，由于等离激元激发有电子振荡参与，由焦耳热引起的损耗成了等离激元器件走向应用的瓶颈。因此，对于微纳光子器件及集成芯片来说，寻找光频段低损耗的金属材料成了该领域研究人员多年来努力的目标。 此前，人们一直寄希望于金、银等贵金属，但对于大多数器件来说，贵金属不仅损耗依然较高，以钠为代表的碱金属传输特性，被认为有可能具有更低的光学损耗。但是，金属钠的化学性质活泼，制备条件严苛。南京大学朱嘉、周林、祝世宁研究团队与北京大学马仁敏、佐治亚理工学院蔡文杉等研究组合作，在钠金属薄膜和等离激元光子器件研究方面有了重要突破。 他们利用液态金属旋涂工艺，结合可控冷却技术，成功获得了高质量的金属钠膜及等离激元结构。在此基础上，他们进一步开发了钠基等离激元功能器件。 得益于有效的封装保护，该激光器件在正常环境下6个月后仍保持良好的工作性能。所做的在高温和高湿环境下加速老化实验证明，他们制备的钠基等离激元器件具有非常好的耐受能力。 7. 时空光涡旋与光子横向轨道角动量 上海理工大学庄松林院士和顾敏院士领导的未来光学国际实验室在光子轨道角动量研究领域取得重大突破，詹其文教授带领的纳米光子学团队首次从理论到实验展示了具有时空涡旋相位并携带光子横向轨道角动量的新型光场，开创了一个全新的光子轨道角动量自由度。该成果以“Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum（具有可控制的横向轨道角动量的时空光学涡旋的产生）”为题在线发表于《自然-光子学》。 光子具有沿光束传播方向的线性动量。光子也可以携带角动量，包括与圆偏振相关的自旋角动量和与涡旋相位相关的轨道角动量。通常光子的自旋角动量和轨道角动量都是沿光束传播方向。按照量子光学，光子角动量是高速光通信、粒子操控、全息成像得以实现的基础。以粒子操控为例，光子的自旋角动量可以使粒子以自身为轴进行旋转，而光子的轨道角动量可以使粒子以光束中心为轴进行旋转，类似于地球的自转和公转。近年来的研究表明在高数值孔径聚焦光场和瞬逝波光场中存在垂直于光束传播方向的光子横向自旋角动量。光子横向自旋角动量在光子自旋-轨道角动量耦合、量子光通信和表面等离基元定向传播方面得到了广泛关注和研究，未来光学国际实验室研究发现的则是垂直于光束传播方向的光子横向轨道角动量。 光子横向轨道角动量垂直于光束传播方向并且与多色波涡旋相位相关。光波包是一个时空波包，具有横向涡旋结构，类似于一个快速移动的飓风。理论上，光子横向轨道角动量可以具有无穷多个数值，也称为拓扑荷，可以通过多色波涡旋相位来控制。 时空光涡旋的产生基于空间频率-频率面到空间-时间面的傅里叶变换。通常，在空间-时间面直接叠加涡旋相位是困难的，而在空间频率-频率面叠加涡旋相位较为容易，可以通过光栅、柱透镜和液晶光调制器件等光学相位元件在实验室中实现。携带不同拓扑荷光子横向轨道角动量的时空波包可以通过液晶光调制器件的调控来实现不同的涡旋相位。空间频率-频率面的涡旋相位经过傅里叶变换后在空间-时间面内仍然存在，从而生成可控的时空光涡旋。
时空光涡旋波包是一个皮秒量级的啁啾脉冲，通过精密电控位移台让一个飞秒脉冲与其叠加干涉，形成一组干涉条纹。基于实验所测得的一系列干涉条纹，可以重建空间-时间面内以中心为奇点的涡旋相位分布，此与理论预期相符。通过干涉条纹，还可以计算时空波包在三维空间中的光强分布。在空间-时间面内，光波包对应相位奇点位置的光强为零。
光子横向轨道角动量的突破性研究进展揭示了一个全新的光场态，开辟了一个新的光子轨道角动量维度，对于理解光场与原子分子之间的相互作用乃至宏观宇宙或相对论具有重要意义，在微纳结构与器件等方面具有广阔的应用前景。 8. 放弃相位板，无需光学对准也能产生相位涡旋光束 复旦大学物理学系光子晶体课题组首次提出利用光子晶体平板结构的动量空间偏振场奇点来产生涡旋光束，并在实验上得到验证。相关工作以“Generating optical vortex beams by momentum-space polarization vortices centred at bound states in the continuum（通过以连续介质中的束缚态为中心的动量空间偏振涡旋产生光学涡旋光束）”为题发表在Nature photonics。
图1. 光子晶体薄膜产生涡旋光束示意图 除去常见的波前接近平面的平面波和高斯光束之外，电磁波的亥姆霍兹方程还存在一类解，其在实空间的传播方向上具有螺旋形的等相位面，而在螺旋的中心处会出现相位的奇点。这类解被称为光涡旋（optical vortices）或涡旋光束。具有相位奇点的涡旋光束可以携带量子化的光的轨道角动量，因而它们提供了一种新的区别于频率和偏振的光场自由度。理论上，这一轨道角动量自由度可分为左右旋性而且原则上其数值大小可以为任意自然数。在实验室，轨道角动量自由度的可调控程度高。研究人员正是针对光的这种轨道角动量特点，努力实现基于轨道角动量涡旋光束的通讯、物质探测、光学操控和微纳加工等应用。 常规产生涡旋光的方法包括基于厚度或折射率螺旋分布的螺旋相位片法、基于双折射晶体的快慢轴在空间中旋转分布的Q波片（q-plate）法以及基于结构单元的局域共振或者几何构型对相位的调制的超表面等，这些方式都是利用实空间的涡旋性质来实现高斯光束和涡旋光束的转变。从实空间的设计思路出发，为了实现涡旋光束，结构不可避免的具有几何中心和类涡旋的排列构型。 光子晶体作为在实空间的周期性结构，没有呈现涡旋状构型，直觉上并不能实现涡旋光束的产生。然而，复旦大学光子晶体课题组发现光子晶体在动量空间连续谱中的束缚态（BIC）附近的远场辐射存在由一系列布洛赫共振态形成的偏振涡旋。BIC正对应于涡旋的奇点。由于实空间和动量空间具有共轭关系，利用动量空间中的这种涡旋结构，也可以实现等价于实空间的涡旋相位调制（如图1所示）。该课题组基于上述思路提出了在动量空间进行几何相位操控的新思路（如图2），并在实验上实现了无需光学对准的高阶涡旋光束。 课题组制备了镂空的氮化硅薄膜结构，并调整参数使能带Gamma点的BIC频率稍高于激光波长532 nm，这样可以得到比较圆的等频率图和动量空间拓扑荷为+1偏振奇点与偏振涡旋，然后通过搭建动量空间相位分辨成像系统对圆偏振交叉极化下产生的涡旋光进行测量（如3图所示），可以看到拓扑荷为q=+1的偏振场产生阶数l=+/-2涡旋光，而理论上能得到更严谨的公式l=+/-2q。进而，课题组利用六角格子结构对应的拓扑荷为q=-2偏振场产生了l=-4的涡旋光。
图2. 光子晶体薄膜中的BIC周围动量空间偏振场产生涡旋光的原理： (a)光子晶体薄膜中的某一条能带面及其等频率线上的偏振在动量空间的投影； （b）动量空间偏振产生涡旋光的原理；（c）理论计算设计结构参数对应的能带面，插图为光子晶体薄膜示意图； （d）图（c）中最下面能带面的投影图及等频率线上对应的偏振. 9. 首次观测到开放量子体系中的非厄米趋肤效应 北京计算科学研究中心薛鹏教授团队及合作者在实验上首次观测到开放量子体系中的非厄米趋肤效应(non-Hermitian skin effect)，并证实了非厄米体边对应原理。
图1：实验装置图. 在以固态拓扑材料为代表的传统拓扑物相中, 最为重要的物理特征是拓扑保护的边缘态。体边对应原理指出，拓扑边缘态的存在性和稳定性完全由体态拓扑不变量决定；因此，人们可以根据体态拓扑来预言物理上重要的边缘态。目前，体边对应原理已被公认为传统拓扑物态领域中普适的基本原则，但长期以来对这一原理的验证范围局限于封闭体系。近年来，随着对开放体系拓扑现象, 尤其是对非厄米体系拓扑序的理论研究, 人们发现在一大类非厄米拓扑体系中, 传统的体边对应关系不再成立，常规拓扑能带理论中的拓扑不变量无法预言拓扑边缘态。在这类体系中, 传统体边对应原理的失效伴随着非厄米趋肤效应, 即体态与拓扑边缘态均完全局域于体系边界附近。正是由于非厄米趋肤效应, 非厄米拓扑体系不能在传统的体边对应原理下理解。 为建立普适的非厄米体边对应原理，需要重新定义一系列基本概念；例如，根据理论推测，拓扑能带理论中广泛采用的标准布里渊区不再适用，取而代之的将是广义布里渊区(generalized Brillouin zone)。
图2：非厄米趋肤效应的实验数据图. 在这一背景下, 薛鹏教授团队及合作者在单光子量子行走的物理平台上, 实现了对具有趋肤效应的非厄米拓扑体系动力学的量子模拟。他们通过巧妙的实验方案设计, 观测到非厄米趋肤效应及稳定的拓扑边缘态。实验观测到的拓扑边缘态与传统体边对应法则不符，而与定义在广义布里渊区上的拓扑不变量精确符合, 从而证实了非厄米体边对应原理。实验首次在量子体系中观测到非厄米趋肤效应及非厄米体边对应关系，有助于深入理解开放系统的拓扑性质及动力学演化中的拓扑现象。
图3：非厄米体边对应数据图.实验观测到的拓扑边缘态与广义布里渊区上的拓扑不变量一致，说明了在本体系中传统体边对应原理失效，非厄米广义体边对应原理成立. 这项研究是该团队继理论设计并实验实现宇称时间对称的量子行走，观测新型拓扑边界态，直接测量量子行走拓扑不变量，模拟多体拓扑系统的动力学量子相变，观测非幺正动力学演化中的斯格明子结构，以及观测宇称时间对称的动力学临界现象之后，在非厄米系统新奇物性研究方面取得的又一重要成果。2020年3月16日他们的研究报告在线发表于Nature Physics上。 10. 单层氮化硼声子极化激元的直接观测 国家纳米科学中心戴庆课题组和北京大学高鹏课题组合作在单层氮化硼声子极化激元方面取得新进展。相关研究成果“Direct observation of highly confined phonon polaritons in suspended monolayer hexagonal boron nitride”于2020年8月17日在线发表于《自然-材料》上。 极化激元是光子与材料中的偶极激发发生强耦合形成的准粒子，它突破了光的衍射极限，能将光的波长压缩到纳米尺度进行操控，这在纳米光电子器件和高灵敏传感等领域具有重要意义。极化激元的波长压缩能力决定了局域光场增强效果和光电子器件集成度，因此，不断追求具有更高压缩比的极化激元成为纳米光子学领域的重要研究方向。 二维范德华材料具有特殊的能带结构，这类材料支持丰富的极化激元模式。例如石墨烯中动态可调的等离激元、氮化硼中低衰减的声子极化激元和过渡金属硫族化合物中的激子极化激元等，为获得理想的极化激元模式提供了材料选择。特别是单层氮化硼，由于其单原子层厚度，理论上支持具有最高波长压缩的声子极化激元，它吸引了国际上多个研究组开展研究。但由于极化激元的压缩能力和激发效率互相制约，目前实验上直接表征单层氮化硼声子极化激元仍然面临挑战，即对单层氮化硼声子极化激元是否存在以及其频率位置的争论无法从理论上给出明确回答。因此，发展新的实验方法直接激发具有超高波长压缩能力的极化激元具有重要的意义。 戴庆课题组通过设计纳米光学结构，在石墨烯等离激元和多层氮化硼声子极化激元的光学激发 和性能调控规律等方面取得了一系列进展，完善了通过动量匹配实现等离激元高效激发的物理图像。 他们通过与北大高鹏课题组合作，利用电子波长短和高动量的先天优势，借助电子能量损失谱首次直接观测到了悬空单层氮化硼中的声子极化激元。通过使用具有7.5 meV的高能量分辨率和0.2 nm空间分辨率的STEM-EELS技术，发现其声子极化激元具有超高的光场束缚（超过487）和超慢的群速度（大约 10-5c）。此外，由于电子束激发效率高，还分别探测到在亚10 nm厚度的h-BN薄片（3 nm，4 nm，7 nm和10 nm）中几乎整个上剩余射线带内声子极化激元的色散关系。这种声子极化激元具有非同寻常的光场束缚和超慢群速度，可以将光与物质相互作用增强到纳米尺度量级，在光子集成回路以及在传感方面有重要的应用。 该工作是纳米光子学研究和电镜技术交叉的融合，通过发挥EELS的高能量和动量分辨的优势，解决了极化激元光学激发困难以及理论预测过程的争论。另外，这种全新的二维范德华材料声子极化激元的高效电子激发方式，为拓展二维范德华材料的物性和应用探索提供了新思路。
图a：电子激发单层h-BN声子极化激元的示意图. 图b：单层h-BN声子极化激元的电子能量损失谱 |
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