在我們的日常生活中，我們經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)局部的波結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在傳播時(shí)保持其形狀——想象一個(gè)在空中飛舞的煙圈。類似的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)已經(jīng)在各種研究領(lǐng)域進(jìn)行了研究，可以在磁鐵，核系統(tǒng)和粒子物理學(xué)中找到。與煙霧圈相反，它們可以對(duì)擾動(dòng)具有彈性。這在數(shù)學(xué)和物理學(xué)中被稱為拓?fù)浔Ｗo(hù)。

一個(gè)典型的例子是磁性薄膜中磁場(chǎng)的納米級(jí)颶風(fēng)狀紋理，表現(xiàn)為粒子 - 也就是說(shuō)，不改變它們的形狀 - 稱為skyrmions。3D空間中類似的甜甜圈形(或環(huán)形)圖案，可視化波的各種屬性的復(fù)雜空間分布，稱為跳躍。用光波實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)是非常難以捉摸的。

最近對(duì)結(jié)構(gòu)光的研究揭示了偏振、相位和振幅的強(qiáng)烈空間變化，這使得理解并開辟了設(shè)計(jì)拓?fù)浞€(wěn)定的光學(xué)結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)，其行為類似于粒子。這種控制多樣化拓?fù)湫再|(zhì)的準(zhǔn)光粒子可能具有巨大的潛力，例如作為超大容量光學(xué)信息傳輸?shù)南乱淮畔⑤d體，以及量子技術(shù)。

據(jù)Advanced Photonics報(bào)道，來(lái)自英國(guó)和中國(guó)的合作物理學(xué)家最近展示了在三維空間中具有設(shè)計(jì)拓?fù)浞€(wěn)定特性的極化圖案的產(chǎn)生，這是第一次可以在自由空間中可控地轉(zhuǎn)換和傳播。

由于這種洞察力，提供了一些重大進(jìn)展和新的觀點(diǎn)。“我們報(bào)告了一種新的，非常不尋常的，結(jié)構(gòu)光的3D拓?fù)涔伦蛹易?，光子跳躍子，其中拓?fù)浼y理和拓?fù)鋽?shù)可以自由和獨(dú)立地調(diào)整，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出先前描述的最低階固定拓?fù)浼y理，”該論文的第一作者，英國(guó)南安普敦大學(xué)的Yijie Shen說(shuō)。

“我們的研究結(jié)果說(shuō)明了光結(jié)構(gòu)的巨大美感。我們希望它們能夠激發(fā)對(duì)拓?fù)浔Ｗo(hù)光配置在光通信，量子技術(shù)，光物質(zhì)相互作用，超分辨率顯微鏡和計(jì)量學(xué)中的潛在應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步研究，“倫敦國(guó)王學(xué)院教授兼項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Anatoly Zayats說(shuō)。

本工作提供了描述該跳子家族的出現(xiàn)及其實(shí)驗(yàn)生成和表征的理論背景，揭示了拓?fù)浔Ｗo(hù)極化織構(gòu)的豐富結(jié)構(gòu)。與以前對(duì)位于固態(tài)材料中的跳躍子的觀察相反，這項(xiàng)工作表明，與直覺(jué)相反，光學(xué)跳躍子可以在偏振分布的拓?fù)浔Ｗo(hù)下在自由空間中傳播。

所展示的光子跳躍子在傳播時(shí)的魯棒拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在應(yīng)用中經(jīng)常被尋求。

這種新開發(fā)的光學(xué)拓?fù)涮S模型可以很容易地?cái)U(kuò)展到物理學(xué)其他分支中的其他高階拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從高能物理學(xué)到磁性材料，高階跳躍子仍然是其他物理學(xué)界觀察到的巨大挑戰(zhàn)。這項(xiàng)工作中提出的光學(xué)方法可能會(huì)對(duì)物理學(xué)其他分支中的這個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)領(lǐng)域提供更深入的理解。

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