在量子物理、经典光学等波动系统中，有限区域内的波约束会形成一系列离散本征态，在常规边界反射下，其空间分布通常呈非均匀的振荡形态。如何在边界约束下获得具有均匀非零包络的平顶本征态，一直是该领域的一大挑战。近日，北京大学电子学院光子传输与通信全国重点实验室彭超教授与尹雪帆助理教授团队在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表了题为“Wave morphing towards the flat-top envelope in photonics systems driven by artificial gauge fields”的研究论文。他们提出并实验验证了一种由人工规范场驱动的空间相位工程方法，使受限光子系统的本征态发生连续“形态演化”（wave morphing），并在光子晶体激光器中实现了基于均匀非零包络平顶基态的稳定单模激射，由此实现了人工规范场驱动的激射模斑调控。该方法可推广至多种波动系统，有望为量子发射器、光学天线和激光器带来全新机遇。

图1 人工规范场驱动的能级迁移与模场演化原理

研究团队从环形结构中的Aharonov-Bohm效应出发，即当磁通穿过圆环时，规范场会为波函数引入额外的几何相位，使全部本征能级随磁通连续、周期地演化。这种相位累积并不依赖真实磁场，借助人工规范场，同样的相位工程可以在光子等波动系统中实现。据此，团队提出一种紧凑且便于加工的实现方案：将光子晶体平板的中心体区域包围在具有光子带隙的异质边界之中，反向传播的光波在边界处首尾相接，构成拓扑上等价于圆环的“衔尾蛇”式结构，而边界的反射相位起到人工规范场的作用。随着反射相位连续变化，各能级相应发生迁移，同时模场包络平滑形变。当反射相位达到π时，系统满足Neumann边界条件，原本的非均匀振荡模式演化为均匀包络，边界净能流归零，形成平顶基态。

图2 二维异质光子晶体中的平顶基态

实验上，团队在III-V/Si异质集成平台上进行样品制备：在绝缘体上硅（SOI）芯片上加工出光子晶体平板，并键合InP基外延以提供光学增益。通过改变体区与边界区域之间的几何间距，即可连续调控反射相位，等效于施加人工规范场。六个具有不同间距的样品均在1520 nm附近实现稳定单模激射。借助近场与远场成像，团队定量追踪了能级迁移轨迹，清晰揭示出模场演化的两条分支，与平顶基态的理论预言高度吻合。为直接观测平顶包络，团队设计了打破C₂对称的不规则空气孔。随着对称破缺增强，近场模斑呈现均匀平坦分布，体区平均强度逐渐提升。上述观测结合偏振分辨测量结果，直接证实了平顶基态的形成。

图3 单模激光实验观测到的能级迁移与模场演化

图4 对称破缺下的平顶基态

该研究表明，人工规范场诱导的全局相位积累能够驱动能级迁移，并重塑本征态的空间包络，这为在有限区域内实现均匀非零的波分布提供了一条简单且普适的路径。从技术层面看，该机制能够将能带边缘特性（如发射强度、偏振、手性）与方向性复制到有限且可扩展的区域中，为量子发射器、定制化激光器等应用开辟了广阔前景。

相关成果于2026年7月29日发表于Nature Communications。北京大学电子学院博士生李沛珅、博士张小煜为共同第一作者，北京大学电子学院、光子传输与通信全国重点实验室尹雪帆助理教授和彭超教授为共同通讯作者，王非凡博士、陈烨博士等参与了该项工作。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。