近日，空军工程大学王甲富教授团队在《Laser & Photonics Reviews》上发表研究，提出了一种基于单个超表面的微波频段拓扑双半子生成与纵向调控方法。该工作首次在微波频段实验实现了光学双半子的生成，并通过对古伊相位与波前曲率相位的编码，实现了双半子在传播过程中拓扑构型的连续演化，为微波通信与拓扑信息编码提供了新的物理载体与调控维度。该研究由国家自然科学基金、陕西省重点研发计划等支持。空军工程大学博士研究生张景献为论文第一作者，杨杰副教授、富新民副教授、王甲富教授为共同通讯作者。
双半子作为一类具有非平庸实空间拓扑特性的结构光场，由两个极性相反的半斯格明子（half-skyrmion）构成，是斯格明子的广义拓扑同态。相较于斯格明子，双半子具有更丰富的拓扑形式与更高的调控自由度，在高速通信、量子信息处理等领域潜力显著。然而，现有双半子的生成方法多借助于复杂光路系统在光频段生成，还未向微波、太赫兹等低频段拓展，限制了其在微波通信与雷达成像等场景中的应用。
研究团队提出一种基于单个超表面的微波双半子产生与纵向调控方法。通过独立调控左旋与右旋圆偏振分量，并编码携带轨道角动量的拉盖尔-高斯模式，实现了微波频段双半子的高效生成。在此基础上，进一步引入古伊相位与波前曲率相位，通过超表面初始相位分布的设计，实现了双半子在传播过程中从Néel型向Bloch型的动态转变，并最终恢复为Néel型，实现了拓扑构型的纵向演化。
图1 超表面生成双半子及其传播过程中拓扑结构演化的示意图
研究设计了具有三层金属结构的超原子单元，通过顶层与底层正交光栅及中间层伞状结构实现左旋与右旋圆偏振相位的独立调控。该超表面在10GHz成功生成了具有稳定拓扑特性的双半子，并在实验中得到验证。
实验验证与系统应用
通过标准印刷电路板工艺制备了30×30超表面阵列，并在微波暗室中搭建实验系统进行验证。实验结果显示，所生成的双半子在传播过程中拓扑数保持稳定（接近1），且其偏振奇点分布随传播距离发生可控旋转，与仿真结果高度吻合。
图2
该工作首次在微波频段实现双半子的实验生成与纵向调控，为光学准粒子在低频段的拓展提供了重要理论和实验基础。双半子所具备的高维拓扑自由度，可用于微波通信中的拓扑编码、抗干扰传输与智能传感，也为微波成像、雷达目标识别等应用提供了新的方式。
本研究为微波频段拓扑光场的生成与调控提供了新的方法，推动了光学准粒子从光频向微波频段的拓展。未来，该技术有望在微波通信、高维信息编码、智能传感与成像系统中发挥重要作用，促进拓扑物理与无线技术的深度融合。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202502808
撰稿|课题组
