导读

拓扑保护态的传播路径受限于不同拓扑区域的界面，而基于这类态设计的线性光子器件，其功能在制备阶段就已确定。美国桑迪亚国家实验室 Stephan Wong 等研究人员提出一种动态控制驱动耗散系统局部拓扑结构的机制：该机制可构建可重构的拓扑界面，进而实现受保护路由的可调路径。这一机制为开发新型拓扑光子器件提供了全新思路和技术路径。

该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Dynamically reconfigurable topological routing in nonlinear photonic systems”。

研究背景

拓扑光子学已发展为极具潜力的物理原理体系，其核心在于实现对光传播的精准调控，在稳健的光子路由、高性能激光器等领域具有重要应用。其中，光子陈绝缘体所支持的手性边界态，是设计下一代光学器件的关键拓扑态——不仅可以实现光的非互易传输，还具备优异的鲁棒性。然而，手性边界态的界面局域性也带来固有局限：其传播路径由系统几何结构预先决定，一旦器件制备完成便无法动态调整。

因此，对于可重构拓扑的研究逐渐兴起，然而，当前已报道的可重构拓扑系统多局限于微波频段，且普遍存在重构时间较长的问题。在电信波段内，虽可通过动态调控单个晶格单元、调谐空间非均匀非厄密性实现可重构光子学功能，但这类方案难以实现扩展，且需引入显著的材料吸收。理想的可重构拓扑平台应具备良好的扩展性、在不引入额外传播损耗的前提下快速调控系统局部陈相，且可使可重构路由器充分利用手性边界态“无反射传播”固有特性，及对环境退相干的优异稳健性。

创新研究

研究人员提出一种在驱动耗散光子系统中实现快速可重构局部陈拓扑的方法，并以电信波段的非共振泵浦激子—极化激元平台为例，验证了该方法（如图1）。研究团队以具有非平庸拓扑特性的极化激元晶格为初始体系，通过引入空间非均匀分布的入射泵浦，实现对系统局部拓扑结构的精准调控——可将原本的非平庸拓扑态转变为平庸态。在此调控机制下，原本在初始非平庸晶格手性边界态中传播的入射信号，会沿着由非共振泵浦图案（通过局部拓扑转变形成）所定义的新拓扑边界定向传播。

图1. 拓扑模式传播路径的动态控制示意图

激子—极化激元系统固有的非线性特性，是诱发其晶格局部拓扑结构发生动态转变的核心诱因。以二维系统的带状几何结构为研究对象，未泵浦状态下，系统的带状能带结构不仅具有非平庸拓扑能隙，还存在相应的手性边界态（图2a-c）。然而，当引入激子库诱导的能量蓝移后，目标能量范围内的拓扑属性会随着能量分布改变而发生转变（图2d-f）。因此，若仅对晶格的一半区域施加非共振泵浦，则会形成 “泵浦区 - 未泵浦区” 的拓扑差异：仅泵浦区域在目标能量范围内呈现平庸拓扑特性，而未泵浦区域仍保持原有的非平庸拓扑属性（图 2g-i）。

图2. 由激子库诱导蓝移导致的拓扑结构变化

紧接着，研究人员展示了在极化激元晶格中实现可重构陈界面的典型系统（图3a和b）以及非共振泵浦下激子—极化激元晶格的完整时间演化过程（图3c-g）。结果发现，在晶格的外边缘区域，当晶格的拓扑属性由外部向内部变化时，与拓扑边界态相关的光谱定位子会出现一个本征值穿过零的现象，且该区域的局部陈数会同步从0跃迁为1。这一现象的物理根源在于：外边缘处的晶格本身具有非平庸拓扑特性，而其周围的真空区域为平庸拓扑态，两者的拓扑属性差异导致在过渡区出现“本征值穿零—陈数突变”的拓扑界面特征。

图3. 基于非共振泵浦的可重构拓扑路由

为阐述可重构多通道拓扑路由的实现原理，研究人员构建了典型的激子—极化激元晶格实验体系：通过施加两种不同振幅的非共振泵浦图案（图4a和d），在晶格中构建出多区域差异化拓扑结构；同时，利用单个探测光源在多个能量下激发拓扑边界态，模拟多通道信号的路由场景。结果显示，系统在较低和较高能量区间内，拓扑属性不同的区域具有不同的空间形态（图4e-f），基于此，沿此类界面传播的手性边界态会形成“拓扑边界共振态”，其核心机理在于：这些边界态虽在能量上与晶格体模存在重叠，但二者的波矢具有显著差异，这种 “能量重叠 - 波矢分离” 的特性使边界态能稳定局域于界面，进而形成共振效应。

图4. 基于非共振泵浦的多通道拓扑路由

总结与展望

本研究提出一种适用于非线性驱动耗散光子系统的动态可重构拓扑路由方案：以非共振泵浦激子—极化激元晶格为典型模型，通过空间非均匀泵浦调控激子库与极化激元间的非线性相互作用，最终实现皮秒级的局部拓扑属性调控与信号路径动态重构。在此基础上，研究进一步将该调控机制推广至非线性非厄米系统，通过局部陈数定量标记晶格的拓扑状态变化，成功验证了单通道拓扑路由、以及频率相关的多通道拓扑路由的可行性——该方案有效克服了传统线性拓扑系统“拓扑结构静态不可调”的固有局限，同时规避了非厄米系统中常见的高传播损耗问题。

未来，该方案在通信领域具有明确应用潜力：一方面，可推动无反射非互易路由、高速动态信号切换等技术的发展，为动态调制光子结构拓扑的相关研究提供全新技术路径；另一方面，其核心的“非线性诱导拓扑相变” 机制具备跨平台拓展性——可进一步延伸至多波混频系统、声子—极化激元晶格等新型体系，不仅丰富了拓扑调控的物理场景，更为多功能集成拓扑光子器件的研发奠定关键基础。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02108-1