近日，菠菜导航担保网聂越峰教授课题组与张勇教授课题组合作，通过创新性设计在铁电氧化物薄膜中制备出微米尺度的极化拓扑结构，实现了从圆偏振光到倍频涡旋光场的非线性转换与动态调制。该研究为多维光场调控提供了新的材料设计方法和平台，在高速、大容量光通信等领域有潜在的应用价值。
铁电氧化物中的铁电畴结构呈现出丰富的拓扑构型，纳米尺度上稳定且可被外场调控，在高速、低功耗、高密度非易失性存储以及太赫兹光的吸收方面有重要的研究进展。通过系统分析，研究团队创新性提出，利用极化拓扑结构的空间偶极排布和材料的非线性光学特性，可实现空间电磁场的相位调控，进而操纵光的轨道角动量（OAM），如图 1a所示。由于OAM为信息编码提供了除传统的振幅、相位和频率之外的额外自由度，这种利用极化拓扑设计和操纵OAM的能力有望用于高速、高容量光通信的应用与开发。
图1. 极化拓扑结构的构筑与光场调控示意图。(a) 极化拓扑畴调控涡旋光场的示意图。(b-d) 穹顶状三维结构形变的产生机理与晶格畸变诱导挠曲电场的原理示意图。(e) 结构形变诱导铁电极化的相场模拟。
然而，常见的铁电极化拓扑结构在空间上被限制在纳米尺度，与激光模式存在显著的尺寸不匹配，无法直接应用于光场调控。如何在铁电氧化物中设计特定拓扑结构和尺寸的极化织构，以与激光模式兼容，面临重大的挑战。为解决上述问题，研究团队创新性提出一种利用三维形变来构筑更大尺寸（微米）的极化拓扑结构的新思路。通过在一种柔性的铁电薄膜中引入鼓包结构，利用晶格畸变产生径向挠曲电场，进而诱导形成中心汇聚型的拓扑微畴结构（图 1b-1e）。在实验中，该团队制备了具有双层不同应变状态的钛酸钡（BaTiO3）自支撑薄膜，这种可弯曲的柔性薄膜在释放应力的过程中，自发形成了鼓包结构，从而获得了微米尺寸的中心汇聚型拓扑畴（图 2）。
图 2. 微米尺寸极化拓扑结构的制备与表征。(a-c)自支撑薄膜的转移集成过程：利用生长转移 技术，通过双层应变弛豫形成鼓包中间态，挠曲电场诱导获得极化拓扑结构，再平铺至目标基底上进行集成。(d-e)压电力显微镜（PFM）和二次谐波（SHG）表征显示中心汇聚型极化拓扑结构。
进一步，该团队利用上述设计的极化拓扑畴结构，实现了非线性光学自旋-轨道角动量转换，演示了轨道角动量为零（ℓω=0）圆偏振基频光（σω, ℓω=0）到倍频角动量涡旋光场（σ2ω=±σω，ℓ2ω=±σω）的转换（图3）。此外，研究团队还通过变温或施加外电场的方式对拓扑极化结构进行可逆调控，实现了对空间光场的动态调控，展示了极化拓扑结构在动态光场调控和光通信方面的应用前景。
图 3. 基于中心汇聚型极化拓扑畴的涡旋光场调控。(a) 光物质相互作用几何的图示。(b) 通过光学自旋-轨道相互作用产生的倍频涡旋光束的实验（第一行）和模拟（第二行）强度分布。(c) 涡旋光场对应拓扑荷的表征。
综上，该工作提出了一种利用三维结构形变构建拓扑畴结构的创新方法，并展示了极化拓扑畴结构在空间涡旋光场调控的应用前景。利用自支撑铁电薄膜构筑极化拓扑结构用于光场操控还具有以下独特的优势：1） 可制备超薄光子器件：自支撑铁电薄膜可实现纳米厚度的极化拓扑结构；2）可转移集成：自支撑薄膜可以在室温下自由转移到包括半导体的任意基底上，是片上光子集成的理想选择；3）可快速电场调制：单个铁电极化状态的翻转可在纳秒时间内实现，通过电路结构的优化，有望实现极化拓扑结构及光场的超快调制；4）可实现全光调制：实验中已展示热场对极化拓扑结构的可逆调制，有望通过激光脉冲的热效应实现全光高速涡旋光场调制；5）有丰富拓扑构型：配合构筑方式及电极结构的设计，获得具有不同拓扑荷（极化矢量的旋转特性）的极化结构，可实现具有不同轨道角动量的光场调制。该研究初步展示了极化拓扑结构在涡旋光场调控中的应用潜力，其进一步拓展有望推动下一代高速、高容量光通信技术的发展。
相关成果以“Ferroelectric topologies in BaTiO3 nanomembranes for light field manipulation”为题发表在Nature Nanotechnology期刊(DOI:10.1038/s41565-025-01919-y)。菠菜导航担保网博士后孙浩滢、博士后陈鹏程、博士生茆伟以及北京理工大学博士生郭常青为该论文的共同第一作者，张勇教授与聂越峰教授为论文的通讯作者。北京理工大学黄厚兵教授以及华威大学王鹏教授为本工作提供了重要的理论与电镜支持。该工作也得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部“长江学者奖励计划”以及博士后创新人才支持计划等项目的资助。此外，菠菜担保网论坛固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心以及江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室及江苏省物理科学研究中心对该研究也给予了重要支持。
