betway88西汉姆联李涛、香港大学张霜等Nature Communications：

光子芯片中“雕刻”任意拓扑态

自古拓扑存边缘，鲜有体模能鲁棒。

我有波导藏奇巧，君予规范见真章。

拓扑趋肤非厄米，平衡扩展有思量。

神经网络强赋能，雕刻片上任意光。

导读

近日，betway88西汉姆联李涛教授、祝世宁院士团队与香港大学张霜教授团队合作，在拓扑态调控方面取得重要进展，他们提出利用

势、矢势及虚势等多种人工规范场联合调控，并结合人工神经网络辅助逆向设计方法，在光子芯片上成功将传统的局域拓扑态任意塑形为具有复杂形状的扩展态。该成果以“Artificial gauge fields for sculpting topological modes on photonic chips”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。betway88西汉姆联李涛教授、宋万鸽副教授及香港大学张霜教授为共同通讯作者，betway88西汉姆联博士生林智远为第一作者，该工作得到祝世宁院士的悉心指导。

研究背景

在拓扑物理中，拓扑态因受到能带非平凡拓扑结构的保护，对材料缺陷与环境扰动表现出天然的鲁棒性。然而，这种拓扑态通常位于带隙中，相应的空间分布被限制在体系的边缘，导致体系内部的大量体空间难以被有效利用。在不破坏拓扑本征属性的前提下，任意调控拓扑态的空间分布，使其突破局域限制、按需塑形为任意形状，在拓扑物理中具有重要意义。近年来，通过人工微结构设计而引入的人工规范场，为光子等中性粒子提供了更多调控自由度，从而可以灵活调控光场的耦合与演化。在单一集成光子平台上，综合利用多种人工规范场（标势、矢势、虚势）的联合调控，将为实现拓扑态空间分布的按需设计提供全新可能。

研究亮点

在本工作中，研究人员首先在一维Su-Schrieffer-Heeger（SSH）光波导阵列中，系统引入了三种人工规范场：通过周期调制波导宽度实现标势，通过弯曲波导轨迹实现矢势，通过选择性沉积铬条引入虚势。理论分析表明，这些规范场的联合作用可精确控制拓扑态的准能谱位置与对应的态分布特性。特别地，通过调节标势与矢势，可以驱动拓扑态从局域于边界转变为完全扩展态(图1)。进一步地，研究团队发现，通过精确调节波导间耦合系数，可以打破规范场与拓扑态局域特性的相互作用平衡，从而实现具有更加复杂形状的拓扑态，并通过人工神经网络辅助参数设计，实现了拓扑本征态空间分布的按需定制。

图1. 人工规范场调控下拓扑态从局域到完全扩展的转变

在实验验证方面，研究团队基于硅光集成平台，制备了多组波导阵列样品。首先，通过设计具有相反标势的样品，在硅波导中成功观测到了人工规范场诱导的非厄米趋肤效应的调控。在此基础上，研究人员构建了支持局域拓扑态与扩展拓扑态的波导阵列。通过设计级联的Y分支与亚波长光栅结构，成功制备了满足扩展拓扑态所需的初始激发条件。实验结果显示，在未引入规范场时，拓扑态局域于边界；而当规范场调节至临界条件时，光场在整个阵列中均匀扩展，且传播过程中形状保持不变，证实了完全扩展拓扑态的实现。最后，利用神经网络预测的耦合系数分布，展示了对应于正弦形和凸形拓扑态的波导阵列，实验测得的输出光强分布与理论目标基本一致（图2）。

图2. 不同形状拓扑扩展态的实验演示

总结展望

本工作首次将标势、矢势、虚势三种人工规范场与人工神经网络逆向设计相结合，在硅光芯片上实现了拓扑态空间分布的整形，展示了完全扩展，正弦形、凸形等复杂形状的拓扑扩展态。该成果不仅打破了拓扑态必须局域于边界的传统认知，揭示了人工规范场与拓扑态相互作用实现离域化的新机制，所发展的片上规范场调控与神经网络辅助设计方法，可拓展至更高维度系统（如准二维多层波导阵列、飞秒激光直写波导等），有望推动大面积单模激光阵列、拓扑光束整形等应用的发展。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-026-71402-2

（李涛课题组供稿）