在微小尺度实现光束缚（light trapping），是构造光缓存、光逻辑和光量子计算的基础。光场束缚一般由禁止光泄露的边界环绕而成，即光学微腔。然而，冯▪诺伊曼和尤金▪维格纳指出，即使允许光场逃逸，仍可在特定条件下实现光束缚，即所谓连续区束缚态（bound state in the continuum, BIC）；这类束缚态依赖特定的干涉相消条件。由于实际器件中的工艺误差不可避免，理想相消条件被破坏，其光束缚能力必然随之劣化。

为此，北京大学信息科学技术学院电子学系、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室彭超副教授课题组与麻省理工学院物理学系Marin Soljačić教授、宾夕法尼亚大学物理与天文学系甄博助理教授合作，从拓扑光子学视角提出一种抑制随机散射泄露的新方法。相关研究成果以《拓扑保护下散射鲁棒的超高品质因子导模共振态》（Topologically enabled ultra-high-q guided resonances robust to out-of-plane scattering）为题，2019年10月23日在线发表于《自然》（Nature，第574卷第501～504页）；电子学系2016级硕士研究生金纪诚为第一作者，彭超为通讯作者。

拓扑学研究连续演化下的不变性质。2016年，诺贝尔物理学奖授予“物质的拓扑相变和拓扑相”相关工作，肯定了拓扑对于理解微观奇异世界的重要作用。在光子学领域，也可用拓扑方法研究光子体系的内在性质：BIC本质上是光子偏振在动量空间缠绕的涡旋，即携带整数拓扑荷的拓扑缺陷。由于拓扑荷处偏振无法定义，即表现为光逃逸被完全禁止。

彭超等利用光子晶体平板实现光场束缚。利用二维、四方晶格周期排布的圆孔，在布里渊区中心形成一个对称性保护、固定的整数拓扑荷，并被八个沿高对称线分布、可调的整数拓扑荷环绕；通过调节结构参数，使这八个拓扑荷连续演变，并渐进合并至布里渊区中心，进而形成动量空间里偏振涡旋的完美风暴。在这一拓扑演化下，光逃逸能量随波矢的渐进关系从平方率跃变为六次方率，即对于同样的波矢偏移，光逃逸能量大幅减弱。因此，在工艺误差引入随机波矢偏移时仍具有优异的光束缚性能。与此同时，光束缚能量以品质因子来衡量，即光子在体系中的存活寿命。在制备的样品中，利用谐振泵浦技术激发光子能带，在实验上观测到Q值高至4.9×105，较传统设计提升12倍，进而证明了渐进合并拓扑荷方法对抗随机散射泄露的有效性。

以上研究工作得到国家自然科学基金、教育部纳光电子前沿科学中心支持，融合拓扑物理学、非厄米系统物理学，为实现光场束缚开拓了新方向，在微腔光子学、非线性光学、低功耗激光器等领域具有重要前景，被同期评论文章称为“实质性提升”（substantial enhancement）和“重大进展”（large boost）。

近两年，彭超与其合作者相继在《科学》发表非厄米系统费米弧观测（Science, 359, 1009-1012，彭为并列第一作者，2018年3月）、实空间非阿贝尔规范场的合成和观测（Science, 365, 1021-1025，彭为第二作者，2019年9月）的研究成果。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1664-7

图1：动量空间中偏振涡旋携带的拓扑荷渐进合并，导致光逃逸能量渐进关系的跃变（平方率至六次方率）

图2：谐振泵浦激发下的远场辐射等频率面；通过对反射谱的拟合测量Q值，在实验中直接观测达4.9×105