近日，湖南大学物理与微电子科学学院方良副教授等人在硅基光子近场拓扑研究方面取得重要进展。研究发现，不同波导模式的对向传输，因坡印廷矢量错位叠加会形成能流涡街，类似流体力学中的卡门涡街现象。该坡印廷涡街，一方面受自旋-动量关系约束产生自旋斯格明子（自旋半子）拓扑结构；另一方面产生横向轨道角动量，区别于传统涡旋光束的纵向轨道角动量。进一步，通过控制对向传输模式的相对振幅与相位，能动态调控这些复合拓扑结构，如纵向横向移动、改变斯格明子数等。该波导对向传输条件下的自旋-动量拓扑现象是对传统驻波现象的超越与升级，有望赋能片上光操控、光与物质相互作用等基础研究与应用。该研究成果以“Topological Spin-Momentum Flows on a Silicon Chip”为题发表在Laser & Photonics Reviews期刊上。湖南大学物理与微电子科学学院刘沛霖博士生为论文第一作者，方良副教授为论文通讯作者，张佳怡本科生、陈金满博士生、陈钦俊副教授以及赵楚军教授为论文合作者。该研究得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目资助。
拓扑非平庸纹理是指无法连续变形为平凡光滑形状的构型，这些拓扑结构极大地推动了流体力学、空气动力学和宇宙学的基础研究和应用研究。从波动的角度出发，电磁波具有丰富的矢量性质，易于构建各种拓扑结构，如涡旋、莫比乌斯带、斯格明子等，类似的拓扑结构也存在于常见的水波和声波中。值得注意的是，人们通过充分利用光学自由度，如自旋角动量、电磁矢量、坡印廷矢量和斯托克斯矢量，已经发现了多种光学斯格明子拓扑结构，这些结构与磁性斯格明子拓扑结构具有相似性，并有望为多维或超精密计量学、超分辨率成像、多功能粒子操控、经典与量子信息处理或通信等领域开辟新的应用前景。尽管目前许多光学拓扑结构已经在自由空间光学系统、金属表面等离激元（SPP）以及二维介质材料上被发现，但硅基光子平台上的光学传输系统的拓扑性质却鲜有报道。硅基波导因其具有高折射率对比度，其强导模通常表现出三维矢量分布，是构建光学拓扑结构的理想场景。该平台上发现的自旋-动量复合拓扑结构，可能为研究波导量子电动力学、芯片上光-物质相互作用、多功能光学操控以及光流体技术开辟新机遇。
1.坡印廷涡街产生自旋半子拓扑结构
研究团队发现，通过在硅基波导上叠加两个不同阶数的反向传播横磁（TM）模式（例如TM0和TM1），可以产生类似于流体力学中“卡门涡街”的坡印廷涡街（Poynting vortex streets）。这种涡街能产生一种有趣的自旋-动量拓扑结构，其特征是自旋斯格明子与轨道动量涡旋重叠（如图1a）。研究证明，两种拓扑结构满足严格的自旋-动量关系
。当反向传播的TM0和TM1模式振幅相同时，产生的自旋纹理具有±1/2的斯格明子数，被称为自旋双半子。
图 1：硅基波导上方的拓扑自旋-动量流。(a)反向传播的TM0和TM1模式产生坡印廷涡街（下方视图），从而产生由自旋-动量关系支配的自旋双半子（上方视图）。这些拓扑纹理可以通过反向传播模式之间的振幅比和相位（或频率）差进行动态控制。(b)和 (c)是(a)中向上和向下自旋-动量单元的放大视图。(d)和(e)源自坡印廷动量涡旋的电正则动量涡旋（蓝色箭头）产生横向轨道角动量（TOAM），该TOAM由主导垂直电场(Ez)分量的局域螺旋相位决定。
2. 坡印廷涡街产生横向轨道角动量
该研究的另一个关键发现是，由坡印廷涡街衍生的电正则动量涡旋会产生局域横向轨道角动量，其方向垂直于模态传播方向（如图2d）。与传统涡旋光束的纵向轨道角动量不同，由坡印廷涡街衍生的正则动量涡旋产生的轨道角动量垂直于模式传播方向。从相位角度来看，这种横向特性主要源于主导垂直电场分量（Ez）的局域螺旋相位分布（如图2c）。这一发现突破了传统旁轴涡旋光束的纵向轨道角动量限制，为片上光学操控提供了全新的维度，如实现微粒的横向旋转操作。
图 2：反向传播TM0和TM1模式之间 3D 场叠加的特性。(a)3D 倏逝场叠加的强度分布。(b)由于不同阶数模式叠加导致的能量流错位而产生的坡印廷涡街。(c)电场分量(Ez)的螺旋相位分布。(d)和(e)分别为正则动量的电和磁部分。红色圆圈表示正则动量涡旋单元的环绕方向。背景代表(e)中磁分量(Hy)的相位分布。蓝色和品红色箭头表示由坡印廷涡街产生的局域TOAM 阵列。
3.复合拓扑结构的动态调控
与其他光子平台所产生的拓扑结构相比，硅基波导上的这些结构具有显著的可控性优势。研究展示了如何通过调制两个反向传播模式的参数来控制拓扑结构,通过简单调节反向传播模式之间的相对振幅比，就可以精确改变拓扑纹理的横向位移以及斯格明子数的数值（如图3）。此外，通过引入相对相位差或频移（例如250 GHz 的频移），可以驱动整个自旋-动量纹理以高速（约1.15×105 m/s）进行纵向流动（如图4）。这种动态可控的拓扑结构使得该系统在粒子输运和光流控等技术应用中具有独特优势。
图 3：可控的斯格明子数和拓扑自旋-动量纹理的横向位移。(a)斯格明子单元内的3D 自旋矢量可以通过立体投影从北半球或南半球的极点到特定纬度映射到2D平面。(b) 计算得到的斯格明子数（左y轴）和相对自旋斯格明子之间的横向距离（右y轴）与TM0和TM1模式振幅比A0/A1的关系。(c-g)在A0/A1分别为 1.2、1、0.8、0.6 和0.4 时，标记有不同斯格明子数的坡印廷涡街（上）和自旋纹理（下）。
4.高阶自旋-动量拓扑分布
该研究还探索了高阶拓扑结构的生成潜力，展示了系统的可扩展性。通过叠加更高阶数的波导模式（例如TM1和TM2），研究人员成功构建了具有更多横向周期的复杂拓扑分布（如图5）。
图 5：由反向传播TM1和TM2模式产生的高阶拓扑自旋-动量流。(a)和(b)不同视角的坡印廷涡街，其中能量流涡旋的奇点（红点）在3D空间中形成线条。(c)和(d)对应的斯格明子数为±0.45的自旋纹理。
5.自旋-拓扑结构的鲁棒性
数值模拟表明，片上自旋-动量拓扑分布对波导制造误差具有很强的免疫力（如图6），即使在波导宽度存在100 nm 的随机偏差下（如图6d），其拓扑不变量（斯格明子数）仍能保持稳定（如图6e）。
图 6：不同波导制造误差对拓扑自旋和动量纹理的影响。(a),(d),(g)最大制造偏差分别为50、100 和200 nm 的硅波导示意图。(b),(e),(h)得到的拓扑自旋斯格明子纹理。(c),(f),(i)对应的坡印廷动量涡街。
该研究基于硅基波导传输系统，系统调查了不同阶模式的反向传输所产生的自旋与动量拓扑结构。两者满足严格的自旋-动量旋度关系。另一方面，所产生的动量涡旋携带横向轨道角动量新的角动量自由度。这些波导界面形成的自旋斯格明子与横向轨道角动量拓扑分布，本质上是由波导三维电磁模式的错位叠加导致的，与自由空间非旁轴以及金属表面等离子光学系统形成的拓扑结构有明显区别。相比于自由空间聚焦系统以及金属表面等离子光学平台，硅基波导产生的拓扑结构具有更好的模式选择性、更便捷的动态调控能力和大规模集成能力。这些动态可调的斯格明子和横向轨道角动量阵列有望为片上先进光学操控或光流控系统提供新的机制，其丰富的光学作用力（超越传统的光梯度力），有望为纳米粒子的捕获和分选、以及光与物质相互作用提供更多自由度。
原文链接:
https://doi.org/10.1002/lpor.202501647
供稿：课题组
