近日，南京大學李濤教授、祝世寧院士團隊在耗散拓撲光場調控方面取得重要進展，他們發現了一類由耗散引起的“不魯棒”拓撲態，并在鈮酸鋰波導陣列中實驗揭示了這種耗散拓撲態的敏感性及其魯棒性程度的控制。
拓撲物理的核心特征之一是“拓撲保護”的邊界態。它們對材料缺陷或環境擾動具有極強的抵抗力，是構建高魯棒性光/電子器件的理想載體。這種魯棒性通常被視為由能帶結構決定的本征屬性，一般只能通過帶隙打開/閉合來改變。目前，大多數展示拓撲現象的系統主要依賴于保守耦合（厄米特性），例如光學、聲學和機械振子等經典波平臺。近年來，拓撲效應的研究已成功拓展至耗散體系（如熱擴散系統），揭示了獨特的耗散拓撲特性。與光、聲等具有保守耦合的經典波體系不同，熱擴散系統的耦合本質上是耗散的（反厄米特性），其拓撲態存在于虛能量帶隙中。值得注意的是，雖然保守耦合與耗散耦合在表象上不影響拓撲零模的存在性，但它們塑造了截然不同的能帶結構和場演化動力學（分別對應于波動和擴散行為）。因此，在一個統一框架下深入研究這兩種拓撲相并建立聯系具有重要意義。此外，由于二者場演化動力學本質不同，其動力學魯棒性是否依然存在仍是一個關鍵問題。
近年來，片上集成光波導平臺憑借其精確的結構可設計性，已成為研究拓撲光子學與非厄米效應的關鍵平臺。為了在單一集成光學體系內同時實現保守與耗散拓撲現象并揭示其內在聯系，關鍵在于采用覆蓋保守至耗散耦合的復耦合設計方案，即實現對非厄米耦合復相位的調控。在集成光學芯片上直接觀測從保守拓撲到耗散拓撲的動力學轉變過程，不僅對深入理解非厄米拓撲物理基礎具有重要意義，也為片上光場相干調控與擴散輸運開辟了新途徑。
在本工作中，研究人員考慮了具有非厄米耦合相位的Su-Schrieffer-Heeger (SSH) 模型（如圖1(a)），通過引入輔助復耦合系數調節其耦合相位，可以實現耦合系數由保守（純實數）到混合（復數）再到耗散（純虛數）的連續轉變。研究發現，該模型的拓撲性質由胞內/胞間的耦合強度差決定，而耦合相位會改變體帶在復能譜空間中的分布。隨著耦合相位θ增大，體帶發生了扭曲，并出現了虛部分量，而拓撲態由于體系的對稱性約束始終是一個零模，如圖1(b)所示。所有耦合相位對應的拓撲態都具有相同的局域程度，然而它們的動力學演化行為卻非常不同。例如，對于保守拓撲(θ=0)，不管是單根激發（偏離完美本征態較多，保真度約為0.6），還是接近完美的本征態（保真度約為0.98），都能支持拓撲態的激發和演化；而對于一般的混合拓撲情形(如θ=π/4)，單根激發拓撲態將很容易彌散，而接近完美本征態的激發雖能演化更長的距離，最終還是出現了明顯彌散現象（圖1（c）），這意味著此時的拓撲態是很敏感的，極易受到擾動而偏離拓撲態。
圖1. 拓撲陣列模型、能譜以及拓撲態的動力學演化
為了實驗驗證這種敏感的拓撲態，研究人員首先進行了細致的全耦合設計，即通過在兩根主波導之間引入帶有損耗和失諧的輔助波導（圖2（a）），這種耦合設計方案可以在理論和實驗上得到兩主波導之間有效耦合為正數、負數、虛數(即耗散耦合)，以及一般的復數耦合。在此基礎上，研究人員基于薄膜鈮酸鋰平臺設計了多組不同參數的波導陣列，通過對輔助波導上覆蓋Cr條以及改變其寬度引入所需要的損耗和失諧量。在實驗中，通過將1550 nm波長的激光耦合輸入到陣列中間波導，得到輸出端的光強信號。可以看到，對于(i)保守拓撲的拓撲態一直能保持在界面處，即光場總是局域在界面；對于(ii)混合拓撲和(iii)耗散拓撲，隨著演化距離的增加，光場偏離界面并出現了彌散的行為，與前面的理論分析和仿真結果基本一致。
圖2. 敏感拓撲態的實驗驗證
事實上，該體系的拓撲態（零模）是對稱性保護，在復能譜上總是容易出現虛部更大的模式（這里對應損耗更低的模式）被激發，并隨著演化距離的增加而逐漸占據主導。基于這一原理，研究人員進一步根據拓撲態的分布，在其無占據位點選擇性施加損耗，發現體帶的能譜虛部隨著損耗的增加往虛部負方向移動，甚至低于零模的虛部，利用這一過程可以實現拓撲態的魯棒性程度的控制，甚至完全恢復魯棒性，如圖3所示。
圖3. 敏感拓撲態魯棒性的恢復
該成果以“Dissipative topological dynamics in optical waveguides: sensitivity versus robustness”為題發表于《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett. 134, 223802 (2025)）。南京大學現代工程與應用學院李濤教授、宋萬鴿特任副研究員為共同通訊作者，南京大學物理學院博士生林智遠為第一作者，該工作得到祝世寧院士的悉心指導。
在這個工作中，研究團隊基于光波導中的耦合控制方案，在實驗上揭示并驗證了由耗散主導的敏感拓撲態，豐富了拓撲態關于魯棒性的認知。更重要的是，團隊采用的耗散工程策略，成功實現了對拓撲態魯棒性程度的調控，使其可以從“穩定”轉為“敏感”，也可以“敏感”轉為“穩定”。該成果不僅深化了對非厄米拓撲態的理解，所采用的片上復耦合設計與耗散調控方案，也為片上光場調控提供了更多可能性。
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