Pancharatnam-Berry (PB) 相位是调控光子自旋轨道耦合的重要机制，通常认为PB相位的积累过程难以人工干预。6163银河线路检测中心、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理全国重点实验室“极端光学团队”胡小永教授和龚旗煌院士与合作者在光子自旋轨道耦合的非厄米手性调控研究中取得重要进展，提出了非厄米超表面拓扑重构PB相位的新方法，揭示了PB相位的积累过程本质上等价于环绕非厄米奇异点，首次发现并在实验上演示了光子自旋轨道耦合的手性抑制、倍增和反转，展示了拓扑重构PB相位方法对光子自旋轨道耦合的灵活调控能力。该工作为光子自旋轨道耦合的拓扑调控提供了新思路，也为信息加密等应用开辟了新的可能。
在基于超表面的光子自旋轨道耦合相互作用中，PB相位作用于信号光的交叉极化分量，而具有非厄米奇异点的超表面恰好能够阻断交叉极化转换通道。研究团队基于此发现了非厄米奇异点具有调控光子自旋轨道耦合的可能性，揭示了基于PB相位的自旋轨道耦合过程具有拓扑保护性质。通过在超分子中引入椭圆微扰来构建旋转各向异性，使环绕轨迹经历非厄米奇异点，从而改变PB相位积累的缠绕数，研究团队发现了三种基于拓扑重构PB相位的自旋轨道耦合手性调控机制：自旋轨道耦合的手性抑制、倍增或反转（图1），分别对应在特定偏振下和波段内PB相位的积累变为与超分子转角无关的常数、四倍于转角、或符号相反。
图1. 自旋轨道耦合（SOI）的手性调控。 （a-c）描述了所发现的三种具有手性的光子SOI现象。（d-e）分别是a、b和c采用的超表面单元和其材料构成的示意图。（f）在左旋圆偏振（LCP）入射下，PB相位积累等于庞加莱球上从南极出发、终止于北极的红色轨迹所张立体角的一半。该机制可重新理解为在交叉极化转换复平面上，围绕左手性奇异点（LEP）的逆时针（CCW）环绕。（g）在右旋圆偏振（RCP）入射下，PB相位积累等于庞加莱球上从北极出发、终止于南极的蓝色轨迹所张立体角的一半。该机制可重新理解为在交叉极化转换复平面上，围绕右手性奇异点（REP）的顺时针（CW）环绕。
拓扑重构PB相位方法调控自旋轨道耦合的手性由超表面单元的主结构决定，如图2所示。研究团队通过在固定波长下引入单个非厄米奇异点，首先在光子自旋霍尔效应和自旋-轨道转化现象中验证了手性“抑制”和“倍增”的调控效果，并从波长-转角空间以及偏振转化率复平面，对拓扑重构PB相位的过程进行了分析。
图 2. 自旋轨道耦合（SOI）手性抑制和倍增的仿真研究。（a - b）超表面单元示意图及其偏振转化率和PB相位响应（c - d）SOI的手性抑制和倍增效应在偏振转化复平面上的演化轨迹，以及相应波长下的PB相位响应。
进一步，研究团队系统研究了光子自旋霍尔效应和自旋-轨道转化等光子自旋轨道耦合现象，证实了手性“抑制”、“倍增”和“反转”三种拓扑重构PB相位调控方法的正确性与可行性，从而验证了拓扑重构PB相位可以作为调控光子自旋轨道耦合的有效自由度。其中手性“反转”相对应的实验结果如图3所示。
图3. 自旋轨道耦合（SOI）手性反转的实验结果和超表面扫描电子显微镜（SEM）图像。
最后，研究团队展示了拓扑重构PB相位方法在信息加密中的应用。如图4所示，结合改进的Gerchberg-Saxton 算法与三种具有不同拓扑重构PB相位响应的超分子，研究团队在目标波长和偏振下成功实现了对图像“狗”的加密，而在非目标波长和偏振下，仅能解密出图像“猫”的诱导信息。
图4. 基于拓扑重构PB相位的信息加密方案。（a）加密方案示例。使用改进的Gerchberg-Saxton（GS）算法，生成了诱饵图像和加密图像的近场相位分布。（b）解密演示。错误的密钥会导致图 4（b）中所示的诱饵图像（i-iii），只有使用正确的密钥才能检索隐藏信息，如图4（b）中的红色虚线框ⅳ所示。
与非线性几何相位或主动超表面不同，该工作通过对PB相位积累方式的手性拓扑调控实现了对光子自旋轨道耦合的灵活调控。同时，该工作也为非厄米系统中的拓扑调控及信息加密等领域开辟了广阔前景。
2026年5月4日，相关成果以“环绕奇异点重构PB相位用于自旋轨道耦合的手性调控”（Topologically reconstructing Pancharatnam-Berry phase via encircling exceptional point for chiral spin-orbit interaction steering）为题，发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。6163银河线路检测中心2022级博士生吕青鸿、特聘副研究员闫秋辰（6163银河线路检测中心2023届博士毕业生）是文章的第一作者，胡小永教授、闫秋辰博士、褚赛赛高级工程师，太原理工大学赵文娟老师为共同通讯作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-026-70782-9
