引言 突破性成果概览

激光是一种我们耳熟能详的物理现象，代表光波被受激辐射放大并相干输出的过程，而“反激光”（anti-lasing）听起来却像是科幻中的概念。实际上，它是激光的时间反演：将一束特定频率和相位的光打入一个系统，系统恰好完全吸收光，不再反射或透射，这就是“反激光”或者“相干完美吸收”（CPA, coherent perfect absorption）现象。传统上，CPA是一种“稳态”过程，意味着它只发生在持续的连续波条件下。然而，许多未来的应用场景——如超快光学、频率梳技术和神经网络——都基于光的脉冲行为，因而亟需极短时间内的“瞬时CPA”。

       近期，瑞士联邦理工学院（EPFL）的Romain Fleury教授团队提出并实验证实了一种全新的“快速时间反激光”机制。他们通过操纵一个具有滞回记忆效应的拓扑系统，利用独特的“拓扑滞回绕行（topological hysteretic winding）”现象，在极短时间窗口内实现了对微波脉冲的瞬时完美吸收。

第一章 什么是“拓扑滞回绕行”？

拓扑学强调“绕圈”的本质。我们熟悉的拓扑不变量（如绕数）常常依赖于系统在参数空间中围绕某些“奇点”的演化过程。以CPA为例，其拓扑特性体现在其散射矩阵于一个奇点处具有零行列式det(S) = 0 ，此时光完全被吸收。围绕这个点，det(S) 的复相位可以发生整数倍（如±2π）的绕行。这个绕数是一个拓扑不变量（Topological Invariant），或称拓扑电荷（Q），它表征了系统是否“环绕”了CPA奇异点（Q=±1为环绕，Q=0为不环绕）。这种环绕通常通过缓慢、连续地调节系统参数（准静态）实现。而且传统系统中的这种“环绕”过程通常是无记忆的：系统的状态仅由当前驱动参数决定，历史轨迹不会留下任何“印记”。

图1 拓扑非互易滞回绕行

本研究的关键创新在于引入了磁滞。团队使用铁氧体环行器（Ferrite Circulator）作为核心器件。铁氧体是一种磁性材料。当对其施加周期性调制的外磁场（通过函数发生器控制电压信号 V(t) = V₀ + V_msin(2πt / T_m) 实现）时，材料内部的磁化强度（磁导率）的变化会滞后于外加场的变化，形成磁滞回线。这种滞后效应会直接反映到微波散射参数上，导致散射矩阵 S 及其行列式 det(S) 在参数空间中描绘出的轨迹不再是简单的闭合曲线，而是具有滞回特性的环路。更重要的是，通过调节直流偏置 V? 和调制幅度 V_m，可以精确控制这个滞回环是否环绕CPA奇异点。当它环绕时，每完成一个调制周期 T_m，相位就会累积 ±2π，相当于产生了一个拓扑电荷 Q = ±1。这种由磁滞效应驱动的、具有“记忆”（历史依赖性）的 “拓扑滞回绕行”。

第二章 动态控制：不对称双调制诱导拓扑转变

图2 具有非对称对偶调制的相互作用滞回散射体中的环动力学和拓扑跃迁

单环行器的滞回绕行虽然能积累拓扑电荷，但拓扑状态（绕行方向/电荷符号）在调制过程中是相对固定的。为了实现对拓扑状态的动态控制，研究者构建了一个更复杂的系统：两个铁氧体环行器级联，并分别施加周期和/或幅度略有差异的外部磁调制。这种不对称双调制导致两个环行器的滞回环在时间上演化路径不同步。随着时间推移（“慢时间”尺度），组合系统的整体绕行环路会动态变形和移动。研究者发现了两种导致拓扑电荷发生改变的拓扑转变（Topological Transition）机制：

1.  路径切换（Path Switch）： 单个滞回环在移动过程中，其一个边缘穿越CPA奇点，会导致整个环路瞬间折叠并在奇异点的另一侧重新形成，同时绕行方向发生翻转。

2. 环路切换（Loop Switch）： 两个绕数方向相反的路径形成“8”字形交叉结构，彼此交替绕过奇点。

       这些动态拓扑转变是瞬态反激光得以实现的关键物理基础。

图3快速时间反激光脉冲和相关频率梳的实验观察

第三章 反激光脉冲：拓扑转变的产物

理论表明，散射矩阵发生拓扑转变的瞬间，系统必然经历 det(S) = 0 的状态，即达到CPA条件，这直接意味着可以周期性和瞬态地遇到非互易 CPA。当在系统的一个端口（如端口1）输入该非互易系统在CPA条件下所需的特定本征态微波信号时（无需多端口同步激发），在每次拓扑转变发生的瞬间，探测器记录到了异常深且窄的脉冲，这些脉冲正是瞬态相干完美吸收（或瞬态反激光）的直接证据，并与拓扑跃迁恰好重合。值得注意的是，这些脉冲的持续时间比调制周期小两个数量级，展示了反激光效应的快速时间特性。对输出强度信号进行功率谱密度分析，揭示了另一个新奇现象：瞬态反激光脉冲具有极其丰富的谐波成分。其频谱从调制频率（如100 Hz）开始，一直延伸到2 kHz以上的高次谐波，形成宽频吸收频率梳。这归因于拓扑奇异点与滞回转变之间的强烈非线性相互作用。而平凡脉冲的频谱则只有少数显著的谐波。

终章 意义与展望

这项工作开创性地将“反激光”（CPA）从连续波领域拓展到了脉冲领域，揭示了“拓扑滞回绕行”这一新物理现象及其在操控瞬态波散射中的强大能力。除了典型的调制信号外，还可以通过同时控制调制周期和幅度来构建更复杂的拓扑绕行。这为复杂平面中磁滞环路的拓扑绕行和相变提供了更大自由度。研究提出的概念可以很容易地扩展到具有异常或Chern态的光子网络，在空间和时域上都显示出拓扑保护。这项研究在波物理、拓扑和非线性系统的交叉点上打开了一扇新的大门。正如论文最后所展望，这些概念可以使用拓扑 Floquet 配置轻松扩展到声学、光学、热发射和广东会系统。因此，这项工作为在非常不同的领域中探索拓扑物理、内存计算、尖峰光子网络和动态边缘态开辟了可能性。

本文内容来自期刊《Nature Communications》2025年7月发表，以Topological hysteretic winding for temporal anti-lasing为题的文章。

参考文献：

Qin, H., Zhang, Z., Wang, J. & Fleury, R. Topological hysteretic winding for temporal anti-lasing. Nat. Commun. 16, 6189 (2025).

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61282-3

撰稿｜吉一勋

指导｜刘玉龙