前沿 | 武大+清华SIGS《Light》：全介质片上超表面解锁拓扑奇异点，让全息 “悬浮” 现实

• 解决的问题：现有拓扑超表面多依赖等离子体材料，存在欧姆损耗，与全介质器件兼容性差；传统自由空间结构阻碍紧凑平台集成，限制了其在偏振控制、全息编码等领域的应用，亟需全介质片上方案突破这些局限。
  

• 提出的方法：设计片上全介质超表面，在 Si₃N₄波导上构建 Si 超原子，通过大规模筛选几何参数创建拓扑奇异点（EP）；环绕 EP 获得 2π 拓扑相移，结合 Pancharatnam-Berry（PB）相解耦正交圆偏振通道，实现独立全息编码。
  

• 实现的效果：成功解耦左旋（LCP）和右旋（RCP）圆偏振通道，实现 “Key” 和 “Lock” 等独立全息成像；全息图像可悬浮于现实场景，具备增强现实（AR）功能，无零级衍射干扰，清晰度高，兼容集成光子平台。
  

• 创新点：在全介质片上结构中创建拓扑奇异点，消除金属欧姆损耗；结合 PB 相实现偏振通道独立编码，突破传统超表面集成与损耗瓶颈，为 AR、信息存储等提供新方案。

• 研究成果以《Creating topological exceptional point by on-chip all-dielectric metasurface》为题发表于《Light: Science & Applications》。武汉大学Cheng Yi、Zejing Wang为论文共同第一作者；武汉大学Zhongyang Li和清华大学深圳国际研究生院Qinghua Song为论文共同通讯作者。

• 摘要：作为非厄米系统，拓扑超表面是探索奇异点（EP）这一显著特性的理想平台。近期，在超表面中创建和环绕 EP 引发了多种先进功能，包括偏振控制和光学全息编码。然而，现有拓扑超表面多依赖等离子体材料，不可避免地引入欧姆损耗，且与主流全介质超器件兼容性有限。此外，传统自由空间结构也阻碍了多个超器件在紧凑平台中的集成。本文实验展示了一种片上拓扑超表面，在全介质结构中创建并调控环绕 EP 的拓扑相。通过在 Si₃N₄波导上大规模筛选 Si 超原子几何结构，环绕 EP 获得 2π 拓扑相移。结合 Pancharatnam-Berry（PB）相，解耦正交圆偏振通道，为不同全息生成解锁独立编码自由度。作为概念验证，所提出的片上拓扑超表面在实际场景中实现悬浮全息可视化，具备实用的增强现实（AR）功能。这种全介质片上方案消除了欧姆损耗，且能与其他片上超器件兼容集成，在下一代 AR 设备、多路信息存储和先进光学显示等领域具有广阔应用前景。
  

• 结论：提出并实验展示了一种集成在波导上的片上拓扑超表面，在全介质结构中创建 EP，从而消除金属材料固有的欧姆损耗。通过在纳米尺度全面扫描 Si 超原子的结构参数，我们在不涉及任何金属组件的情况下创建并环绕 EP，获得 2π 拓扑相，作为光学相位编码的额外自由度。结合 PB 相，我们实现了正交圆偏振通道的完全解耦，实现可切换的双通道超全息。最终，我们成功使全息虚拟图像悬浮在现实场景中，作为 AR 超显示。得益于全介质和独特的片上传播方案，所提出的超器件不会对观察者造成任何零级衍射干扰，并有助于在紧凑平台中集成多个片上组件。总体而言，该平台为下一代显示和存储应用提供了广阔前景，包括可穿戴 AR 显示器、信息存储和光学多路复用。
  

图1：基于拓扑相编码的片上全介质超表面用于双通道全息显示的示意图。

图2：片上全介质拓扑超表面的EP数值分析。

图3：用于圆偏振光（CPLs）解耦的片上拓扑超表面设计。

图4：片上超全息和 AR 演示的实验表征。