——南开团队深耕拓扑光子学取得系列创新成果

近日，南开大学陈志刚教授、许京军教授带领的研究团队在拓扑光子学研究领域取得重要进展。团队提出并实验验证了一类兼具长程周期序与自相似分形层级的新型类分形晶格，实现了拓扑边界态数量随分形世代数的指数级增长，突破了传统周期体系中拓扑态数量固定且有限的制约，为可扩展拓扑态的构筑与调控提供了新的思路。相关研究成果发表于国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications 17, 8469, 2026）。

拓扑物态是近年来凝聚态物理与光子学领域的重要研究前沿。拓扑边界态具有鲁棒性强、抗扰动和局域传输等独特性质，在拓扑激光、光信息传输、模式复用和量子光源等集成光子系统中具有广阔应用前景。然而，在传统周期晶格中，受平移对称性和能带理论框架限制，拓扑边界态及拓扑能隙的数量通常固定且有限，难以实现大规模扩展；另一方面，纯分形晶格虽然具有丰富的层级几何结构，但是缺乏整体的平移不变性，传统动量空间拓扑理论及体边对应关系难以直接适用，这给拓扑态的系统设计和调控带来了新的挑战。

针对这一问题，研究团队构建了一类兼具长程周期序与自相似分形层级的新型类分形晶格。该结构以不同世代指数的经典分形结构作为晶格原胞，在保留分形几何层级特征的同时恢复整体晶格的平移不变性，从而建立起周期晶格与纯分形晶格之间的有机联系。理论方面，研究团队基于近期自主建立的多重拓扑相理论（eLight 6, 2, 2026），系统揭示了该类分形晶格的拓扑性质及其随分形层级演化的规律。实验方面，团队利用自主研发的连续激光直写技术（Physical Review Letters 121, 263902, 2018），在非线性光学晶体中构建了不同世代数的类分形光子晶格。理论和实验共同表明，拓扑边界态以及相应拓扑能隙的数量均可随分形世代数呈指数增长，实现了拓扑边界态的可扩展设计。

该研究揭示了拓扑、分形自相似几何与周期序之间的协同作用机制，提出了利用层级几何实现拓扑态可扩展构筑的新途径，不仅丰富了分形拓扑物理的研究内涵，也为利用复杂几何结构调控拓扑物态提供了新的理论和光子学实验平台。未来，该方法有望应用于紧凑型拓扑模式复用、高鲁棒性光编码及多通道拓扑光传输等领域，为新一代集成光子器件以及经典和量子信息处理提供新的设计思路。

本工作南开大学博士后宋立敏和胡志婵为共同第一作者，南开大学讲席教授陈志刚与外专特聘教授Hrvoje Buljan为共同通讯作者。相关工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委重点项目、面向全球群体合作项目以及中国博士后科学基金会等项目的资助。

此次成果是南开大学陈志刚团队持续深耕拓扑光子学领域取得的又一重要进展。多年来，在国家不同基金项目的支持下，团队围绕拓扑光子学、非线性光学和光场调控等国际前沿方向持续开展系统研究，从新物理机制、新型光子晶格到拓扑结构光场与潜在应用，逐步形成了具有自身特色的研究体系，并取得了一系列具有国际影响力的原创成果。

扎根南开，持续探索拓扑光子学前沿

2021年，该团队与克罗地亚萨格勒布大学H. Buljan教授等国际合作者共同建立了非线性非厄米拓扑光子学实验平台，在国际上率先实现非线性调控非厄米拓扑态。该成果将非线性、非厄米物理与拓扑光子学有机结合，拓展了人们对开放拓扑体系中非线性效应的认识，为非线性拓扑光子学的发展开辟了新的研究方向。相关成果发表于国际学术期刊 Science，并入选“2021中国光学十大进展”。

2023年，该团队与其国际合作者首次提出并实验验证了子空间对称性保护拓扑态的新机制，突破了拓扑态通常依赖系统整体对称性及拓扑不变量的传统认识。研究发现，即使体系的整体对称性被打破、传统拓扑不变量不再量子化，拓扑边界态仍可由作用于相应子空间的对称性保护，为理解和调控拓扑态提供了新的理论视角。相关成果发表于国际学术期刊Nature Physics。

2025年，该团队与其国际合作者首次设计并构建了具有手征对称性的拓扑旋错光学实验平台，实现了涡旋光的拓扑“双重保护”与鲁棒传输。该研究将高阶拓扑、晶格旋错与光学轨道角动量相结合，拓展了复杂拓扑结构中涡旋光产生、传输和调控的研究方向，为新型涡旋光子器件和高维光信息传输提供了新的思路。相关成果发表于国际学术期刊 Nature Photonics。

从非线性非厄米拓扑态，到子对称性保护拓扑态，到拓扑旋错结构中涡旋光调控，再到此次实现的分形层级拓扑态指数扩展，一系列成果并非彼此孤立，而是体现了团队长期坚持从基本物理问题出发，不断探索“新结构、新机制、新维度与新功能”的研究思路，也见证了南开大学在拓扑光子学这一国际前沿领域持续深入的科研积累。

汇聚人才，让青年人成为创新主力

科研创新离不开人才，更离不开团队协作。多年来，团队在开展前沿研究的同时，高度重视青年教师和学生的培养，坚持在重大科研任务和国际合作中为青年科研人员创造机会，让年轻人成为原创研究的真正参与者和重要推动力量。在团队的培养和支持下，多位青年教师相继获国家级人才项目资助，一批青年科研骨干逐渐成长起来。值得一提的是，上述三项代表性成果的第一作者夏士齐、王孜腾和胡志婵，均为该团队自主培养的青年科研人员，他们先后都入选国家“博士后创新人才支持计划”，获得中国光学学会王大珩光学奖、郭光灿光学奖等多项青年人才奖励。如今，他们已成长为南开的青年科研骨干和领军人才，继续在拓扑光子学、非厄米光学和量子光子学等方向开展前沿探索。

与此同时，团队秉持开放合作的科研理念，与国内外多所高校和科研机构建立了稳定合作关系，通过国际合作、交叉研究和青年人才培养，不断拓展南开大学光学研究的国际影响力。以团队托举人才，以人才推动创新，以合作拓展前沿，已经成为这支科研团队持续发展的重要动力。

团队合影

一次次突破，是对未知物理世界的一次次叩问；一项项成果，也记录着一支科研团队长期积累、协同攻关的探索历程。面向未来，陈志刚、许京军教授带领的南开团队将继续立足光学基础领域，面向世界科技前沿，在拓扑光子学及其交叉领域方向持续深耕，探索新的物理机制和光子学功能，努力取得更多具有原创性和国际影响力的研究成果，为推动我国光学与光子学领域高质量发展、服务科技强国和教育强国建设贡献更多南开力量。（文娟）