?集體振蕩是多個獨立諧振體在相互作用下共同形成整體振蕩的現象，其整體的諧振特性與單個諧振體存在顯著差異，體現了諾貝爾物理學獎得主P. W. Anderson所述“多即不同”（more is different）的觀點。集成振蕩現象在光子、等離激元、量子等體系廣泛存在，一般用實空間中相互作用的諧振體系來構造。然而，考慮到實空間和動量空間的傅里葉對偶性（Fourier Duality），集體振蕩有望在動量空間中引入相互作用來實現。近日，中國科學院半導體研究所鄭婉華院士團隊、北京大學電子學院彭超杰青團隊與澳大利亞國立大學Yuri Kivshar院士團隊在《自然·納米技術》發表了一項創新成果，觀測到了由邊界動量散射誘導的集體導模共振（collective guided resonance, CGR）現象，并利用非對稱泵浦破缺鏡面對稱性，成功實現了手性激光發射。

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圖1 集體導模共振

研究團隊從實空間與動量空間的傅里葉對偶性出發，設計了一種圓形邊界的有源光子晶體。在圓形邊界散射效應作用下，原本獨立傳播的多個光子晶體導模發生各向同性耦合，進而形成二重簡并的集體導模共振態。在保持鏡面對稱下，兩個簡并模式攜帶相反的手性渦旋。研究團隊進一步利用非對稱泵浦技術破缺手性對稱性，實現了手性渦旋激光的單模激射，成功觀測了實空間中心處強度為零的渦旋光束，并通過偏振分布及自干涉測量證實渦旋中心處純粹相位奇點，體現為自干涉條紋呈現為一對朝向相反的“叉”（fork）型圖案。上述結果證實了激光光束攜帶非零的手性軌道角動量。

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圖2 集體導模共振模式原理?

圖3 手性渦旋激射特征

該研究解析了一類獨特的動量空間集體振蕩現象，為“多即不同”這一著名論斷提供了又一實例，也為構造實用的芯片級渦旋激光器提供了新方法，為量子/光子計算、傳感、微操控和手性鑒別提供了光源。該成果以“Observation of chiral emission enabled by collective guided resonances” 為題，7月1日發表于《自然·納米技術》（DOI：10.1038/s41565-025-01964-7）。北京大學電子學院博士生陳燁、半導體所青年研究員王明金為共同第一作者，半導體所鄭婉華院士、澳大利亞國立大學Yuri Kivshar院士、北京大學電子學院彭超教授為共同通訊作者。

該項工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01964-7