●它能讓光子拐彎，也能讓光子勇往直前“不回頭” ●它能讓光子“包容”各種缺陷，具備強抗干擾能力 ●它在軍事通信、光子芯片、激光等領域應用前景廣闊
光束沿直線傳播，這是一個普通物理學常識。如果有人告訴您，光束也可以拐彎甚至急轉彎，您也許會說：“在做夢吧！”
實際上，很多科學發現就在於先有“夢”而後“夢想成真”。如今，讓光束轉彎的科學夢想已經成為現實。2009年10月，國外一研究團隊利用光學拓撲理論，設計出一個能控制光束的器件，能讓光在這個器件中繞過障礙物繼續傳播。這一科學發現，顛覆了人們對光束的傳統認知，引發了國際科學界的廣泛關注。
傳播速度極快的光束為何能拐彎，甚至能繞過障礙物呢？其中的奧秘就在於，光子擁有一條專用的“高速公路”。現在就讓我們一起來揭開它神秘的面紗。
用好拓撲學，改變光束直線傳播
光束的本性是沿直線傳播，怎樣才能改變其本性呢？這必須依靠拓撲學。作為近代發展起來的一個研究連續形變現象的數學分支，拓撲學相對深奧，我們可以通過簡單類比來理解。簡單地說，拓撲是研究幾何體中含有“孔洞”個數（即“拓撲數”）的一門學問。比如說，人們喜歡的美食甜甜圈、健身用的呼啦圈，在結構中都有一個洞，在數學上，我們可以將這種中間有且只有一個“孔洞”的結構，歸為一類，看作是隻有一個“孔洞”的圓環體。對於籃球、足球、西瓜等沒有“孔洞”結構的物體，則將其歸為另一類。它們雖然都屬於圓環體，但前者“孔洞”個數為1，後者為0，結構不同，在性質上就存在很大的差異。簡單地說，按照不同物體中所包含的“孔洞”個數進行分類，並對“孔洞”個數相同的物體進行性質上的類比，就是拓撲學意義上的分類。
拓撲學是一個很神奇的數學概念，它進入物理學領域後，最早被用來描述物質中電子運動規律，並由此發現了“拓撲絕緣體”。這一新奇的材料相比於不導電的橡膠等普通絕緣體，雖然同樣能阻止電荷流動，但在其表面猶如為電子開闢了一條“高速公路”，可以讓電子無障礙、低損耗地高速穿流。
“拓撲絕緣體”這一獨特功能，讓物理學家們浮想聯翩。2008年，物理學家鄧肯·霍爾丹提出了打造“光學拓撲絕緣體”的新奇構想。他的設想是，當兩種具有不同拓撲數的材料緊密拼接在一起時，其界面處必然會產生一個光學拓撲邊界態。如此一來，耦合到物質表面的光，自然不會也不需要穿入物質體內，經歷猶如塞車般的“散射和吸收”，而乖乖地走上了屬於自己的那條表面通道。這個光學拓撲邊界態就相當於光子的專用“高速公路”，但它並非是一條直線，而像普通道路一樣有大小不等的彎道，光子在這條“高速公路”上傳播，只能沿著彎曲的道路通行，即在物質表面“曲線傳播”。這樣，就改變了光束直線傳播的本性。
“只有想不到，沒有做不到”。如今，這條光子“高速公路”在科學家們的不懈探索與創新中，已經走進現實。這就是由拓撲學發展而來的“拓撲光子學”。
擁有奇異特性，彰顯超強本領
在這條光子專用的“高速公路”上，處於光學拓撲邊界態的光子，只能沿著邊界傳播。與傳統導光介質相比，其拓撲保護性質使光學拓撲絕緣體具備了許多獨特本領。
讓光子奔跑暢通無阻。在光學拓撲絕緣體中，利用疊加偏振方向相互垂直的兩種光，可以模擬出類似電子所具有的自旋特性。如此一來，在光學拓撲絕緣體邊緣，“自旋屬性”不同的光波組合分別歸屬於不同的“通道”，避免兩類組合之間相互干擾。光子傳播“通道”就從狹窄的“林間小路”升級為寬闊通暢的“高速公路”，當遇到散射體時，不會“掉頭就走”，即不會發生背向散射現象。這樣不僅可以巧妙地實現“單向通光”的功能，更能極大地提高光子中負載信息的傳輸效率。
讓光束能夠拐彎。光學拓撲態是由兩種具備不同拓撲數材料緊密相連所構成的一個物質界面，這就使得進入界面的光子註定只能在“夾縫中求生存”，它只能沿著兩個物體的接縫處傳播。這樣就可根據需要，在材料接縫處隨心所欲地進行大角度彎折，即便做成諸如“Z”字形狀，光子都能“奔跑”自如。也就是說，無論前進道路多麼曲折，它都能勇往直前，讓光束急轉彎不再是神話。
讓光子“包容”缺陷。在傳統認知裡，光子是一個“完美派”，所到之處，必須環境清潔、穩定，否則就會在傳播中散射或被吸收，從而使許多光學實驗無法正常進行。在許多光學加工及元器件生產過程中，需要採用超高精度加工手段來減小對光束的影響，這導致加工和生產成本過高。如果採用拓撲光子學方法，則能很好地解決這一問題。因為光學拓撲邊界態十分穩定，具有拓撲性的光子即使遇到瑕疵或缺陷時，系統的拓撲數也並不會發生改變。這種對缺陷的“包容”性，使得光學拓撲絕緣體具備很強的抗干擾能力。
軍事應用潛力巨大，後發優勢尤為明顯
作為一種奇異的光子傳輸狀態，光學拓撲邊界態所具備的“獨門絕技”，是其他光學效應無法比擬的。2013年，科學家們已在實驗室成功研製出首個光學拓撲絕緣體。他們巧妙地設計出一種獨特“波導”網格，能顯著減少傳輸過程中光的散射，為未來各類光學應用打開了一扇新的大門。如今，大量實驗證明，光學拓撲絕緣體所具有的優越性能，使其在通信、光集成等領域具有廣闊的應用前景。尤其是在軍事應用上，它已成為“潛力股”，具有十分明顯的後發優勢。
構建超穩定光學通信線路。現代高速通信的基礎主要採用遍佈海底的高速光纜，信號在極遠距離上的傳輸與放大一直是制約通信速度提升的核心問題之一。當光纖對信號所產生的背向散射光不斷疊加，又與信號光同頻率時，就會構成對信號的干擾。如果利用有拓撲保護性質的光子晶體光纖，就可以有效解決這一問題。因為，光學拓撲邊界態的單向傳輸特性，不僅能夠實現超高速的光學信號傳輸，更重要的是能夠實現低功率、高保真的超穩定通信。這將為軍事應用中的一體化信息網絡建設提供有力支撐。
推動光子芯片技術發展。現代信息技術的核心是電子芯片。半個世紀以來，芯片的性能提升一直遵循著“摩爾定律”，即每18個月性能提升一倍，但電子芯片發展並非無極限。因此，科學家們正嘗試研發光子芯片，利用光子取代電子成為邏輯運算的基本載體，成為新一代具備顛覆性能力的計算核心。與內含銅導線電子芯片不同，它利用光束可沿大角度、低損耗傳輸的優勢，極大提高芯片的性能和信息處理的安全性。一旦研發成功，將推動軍事領域新一代光計算元件開發，提升有關信息處理能力，並實現完全自主可控。
打造高效激光光源。激光是利用諧振腔對種子光的來回反射實現光放大，而諧振腔內的瑕疵會影響激光損耗閾值，從而使激光輸出功率大幅降低甚至無法出光。如果利用光波對結構缺陷的免疫能力，採用光學拓撲絕緣體設計的諧振腔，則可以完美避開腔內瑕疵，使激光器工作效率更高、性能更穩定。未來，以拓撲絕緣體激光器為核心的新型有源拓撲光子器件，將為軍事通信、戰場感知等信息化作戰領域帶來革命性變化。
專家小傳：楊鏢，國防科技大學前沿交叉學科學院納米科學系講師、博士，入選2019年度“香江學者計劃”。主要從事拓撲光子學、超材料等方向研究，在《科學》《自然·物理》《自然·通訊》等國際權威期刊發表論文10餘篇。
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