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南京大学/香港大学:光子芯片-人工规范场,AI逆向设计 | Nature Communications

2026-04-10 05:43:57

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拓扑光子学的主要特征是体-边界效应：拓扑态通常表现为不同拓扑相之间界面处的局域模，无法分布于体系内部，这限制了拓扑态的空间分布与应用场景。在保持拓扑保护的前提下，任意设计拓扑态的空间形状，是拓扑光子学亟待解决的关键问题。传统调控手段仅能改变拓扑相，无法连续塑造模式分布；而非厄米趋肤效应虽可改变光场分布，但调控机制依赖非互易耦合，难以在片上硅基体系实现。

近日，南京大学祝世宁院士、李涛团队联合香港大学张爽团队在Nature Communications上发文，在硅基光子芯片上，通过三类人工规范场，包括标量规范场（波导宽度调制实现能移）、矢量规范场（波导弯曲实现相位调制）和虚数规范场（铬层损耗实现非厄米增益 / 损耗），三类规范场共同作用，触发非厄米趋肤效应（NHSE），并结合人工神经网络的AI逆向设计，将传统局域在边界的拓扑边缘态连续转变为任意形状的全域扩展拓扑态，实现了拓扑模式雕刻成所需的形状。

所选择的规范场，精确调控拓扑模式的耗散，并跨越体模式的耗散范围，从而促进从局域态到完全离域态的转变。这些本征模式，可通过神经网络进行精确设计，实现具有定制化轮廓的拓扑态，这些拓扑态在频谱上与体带保持隔离，并表现出了相较于其他模式更低的损耗。

该项理论，在硅光子平台上得到了实验验证，观测到完全扩展态、正弦型、凸包型等多种拓扑模式，有望灵活调控拓扑模式轮廓。这打破拓扑态只能局域于界面的固有认知，为片上拓扑光调控与多功能拓扑光电器件提供了解决方案。

第一作者：Zhiyuan Lin

通讯作者：Wange Song，Tao Li & Shuang Zhang

通讯单位：南京大学，香港大学

Artificial gauge fields for sculpting topological modes on photonic chips.

在光子芯片上，雕刻拓扑模式的人工规范场

图1 | 在光子芯片上，雕刻拓扑模式。

图2 | 通过标量和矢量规范势，实现拓扑转变。

图3 | 利用人工神经网络，任意雕刻拓扑模式。

图4 | 在硅光子学中，利用规范势操控非厄米趋肤效应。

图5 | 光子拓扑离域模式的实验观测。

图6 | 光子拓扑模式多样化形状。

文献链接

Lin, Z., Li, J., Song, W. et al. Artificial gauge fields for sculpting topological modes on photonic chips. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71402-2

本文译自Nature。

来源：今日新材料

内容来源 / 网络

网络编辑 / 杨柳

责任编辑 / 李明

终审 / 魏晓勇

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Journal of Advanced Dielectrics

《先进电介质学报（英文）》

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期刊简介

JAD是由姚熹院士、叶作光院士担任主编的英文学术期刊，2011年创刊，由西安交通大学国际电介质研究中心（ICDR）和新加坡世界科技出版集团（WSPC）共同创办。它以电介质研究为特色，涵盖电介质基础研究、压电、铁电、薄/厚膜、多铁性材料、工程电介质等研究领域，旨在为国际上从事电介质学术研究的学者提供一个集中展示交流最新研究成果的平台，促进学术界对电介质理论及应用研究不断深入。目前JAD为双月刊，被ESCI、EI、Scopus、DOAJ、CA、CrossRef、Google Scholar、CSCD、CNKI、WanFang Data等多种检索数据库收录。