暨南大学融媒体中心讯 近日，暨南大学物理与光电工程学院（理工学院）王思聪副研究员/秦飞教授联合中国科学技术大学任希锋团队在国际著名期刊 Physical Review Letters 上发表题为 "Unveiling Spin and Poynting Dual Textures of an Optical Skyrmionic Tube in Free Space" 的最新研究成果。王思聪副研究员为论文第一作者，秦飞教授、吴赟琨副研究员、任希锋教授和李向平教授为论文共同通讯作者。
论文封面
斯格明子（Skyrmion）凭借其独特的拓扑结构，长久以来备受国际学术界的广泛关注。斯格明子最早源于粒子物理学研究，其独特之处在于具有稳定的拓扑保护特性，即使受到外界扰动也不易被破坏，因此被认为是未来高密度信息存储、信息传输和智能光学器件的重要载体。
2018年，人们首次将斯格明子概念引入光学领域，提出了“光学斯格明子（Optical Skyrmion）”，开辟了拓扑光学研究的新方向。此后，人们陆续发现由光场偏振、自旋、斯托克斯参量以及能流等不同物理量构成的多种光学斯格明子结构，并在光通信、信息处理、精密测量等领域展现出重要应用潜力。凭借其兼具基础科学价值与应用前景的特点，光学斯格明子已成为国际光学研究的前沿热点之一。
2024年，该团队基于4π聚焦系统，在理论上首次预言了由光能量流动轨迹（坡印廷矢量）构成的能流光学斯格明子（Phys. Rev. Lett., 2024, 133, 073802）。然而，4π聚焦系统需要多束光严格相干叠加，对实验精度要求极高，使得这类能流斯格明子的实验观测和实际应用面临巨大挑战。同时，现有自由空间光学斯格明子大多仅涉及单一物理量，并主要局限于二维平面结构，其与物质相互作用能力和应用潜力受到明显限制。
利用环形二阶圆偏振涡旋紧聚焦光束在自由空间中产生自旋-能流双纹理光学斯格明子管状分布
针对这一难题，研究团队提出了一种新的解决方案。研究发现，仅利用常规单透镜聚焦系统，将环形二阶圆偏振涡旋光束进行紧聚焦，便可在自由空间中产生一种 “自旋-能流双纹理光学斯格明子”。自旋和能流这两种不同物理属性共享同一个斯格明子拓扑纹理，从而在同一束光中实现了“双重拓扑结构”的协同存在。实验结果进一步证实，该结构能够沿光传播方向形成长度接近10个波长的稳定管状拓扑分布。这意味着光学斯格明子不再局限于二维平面，而是实现了具有显著纵深尺度的三维拓扑结构，为拓扑光场向三维空间扩展提供了新的实现途径。
该工作进一步完善了光学斯格明子的研究体系，为实现光学斯格明子与物质相互作用提供了有效方案，有助于推进自旋、能流领域的相关应用研究，在精密测量、光镊捕获、粒子操控等方面具备广阔的应用前景。
该研究工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFA1209301）、国家自然科学基金（项目编号：62375109、62475102）、广东省量子科学战略专项（项目编号：GDZX2506004）等项目的资助。
原文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/f6b5-kv4x
责编：周会谦