如果你拿起一只海边捡来的海螺，会发现它几乎总是向同一个方向旋转。无论在赤道的沙滩，还是北方的礁石边，海螺那一圈圈优雅的弧线几乎遵循着同一种手性（chirality）——自然偏爱的方向性。你可能不会想到，光——那个看似笔直传播的东西——竟然也能像海螺一样，拥有自己的“手性”，而且具有一种比海螺更加极端的结构：它在时间和空间里同时扭转，像一颗只在一瞬间闪现、却拥有三维螺旋的“电磁海螺”。这种奇特的电磁波，被物理学家称为——“螺旋脉冲（helical pulse）”。自2004年理论提出以来，螺旋脉冲的产生一直是电磁学界的难题。近日，电子科技大学王任教授、南洋理工大学申艺杰助理教授、马德里理工大学Miguel A. Porras教授团队联合在Nature Communications发表了最新成果：Observation of Helical Pulses。该成果首次在实验中成功观测到螺旋脉冲——覆盖光学与微波两大频段。这一突破不仅验证了经典电磁理论中一个长期未被观察的解，也为超高速通信、精密成像、超快物理与拓扑电磁场调控打开了全新方向。
图1 海螺
过去我们熟悉的“涡旋波”、OAM光束等都有螺旋相位，但它们仍然只是波前空间扭曲的波束。而螺旋脉冲更为特殊——它们是在时间和空间维度共同扭成的单周期脉冲。螺旋脉冲具有四大特征：（1）时空不可分离：不同空间点对应不同频率，是一种真正意义上的“时空纠缠波包”；（2）单周期：理想螺旋脉冲只有一个时间周期；（3）螺旋拓扑结构：场分布随时间推进沿空间方向形成三维螺旋；（4）可具有纵向场成分：突破传统“横电磁波”限制。
理论上，麦克斯韦方程组的空时不可分离解早在1989 年就由Ziolkowski 提出，2004 年Lekner给出具有螺旋性质的解，但由于实验难度极高——尤其是需要产生极宽带、完美时空耦合的结构——螺旋脉冲从未被真正生成。
图2 螺旋脉冲示意图
两条路线同时突破：光学× 微波
该工作最令人激动的地方是：研究团队采用两个完全不同的物理机制，分别在光学与微波领域都成功生成了螺旋脉冲。
✦路线一：从“环形脉冲”中分离出螺旋脉冲（光学）
研究者利用之前发现的“环形脉冲”（toroidal pulse），将其视为“母体”，再通过偏振分解将其中的螺旋结构“抽取”出来。环形脉冲本身就是一个时空不可分离的拓扑波包。利用其内部的左/右旋成分，经过圆偏振片+ 线偏振片的两步转换，就能“拆出”一个准线偏振的光学螺旋脉冲。
图3 光学螺旋脉冲产生方案
实验中使用了 10 fs 超短激光、超表面、偏振器等器件组成系统，并通过边缘衍射确认其拓扑特性。基于上述方案，该工作实验获得了强时空非分离度，观测到了螺旋形场分布，产生了少周期光学螺旋脉冲。这是首次在光学频段“看见”空时不可分离的螺旋脉冲。
图4 光学螺旋脉冲观测结果：（a）实验系统；（b,c）衍射场图；（d1-d3）空时场；（e,f）空时不可分离性
✦路线二：让螺旋从天线中辐射出来（微波）
更令人惊讶的是，在微波频段，研究者发展了另一种完全不同的生成机制：利用超宽带双臂螺旋天线直接辐射出单周期螺旋脉冲。这相当于让天线本身成为一个“拓扑波包发生器”。
图5 微波螺旋脉冲产生方案
基于微波方案，该团队生成了真正意义上的单周期螺旋脉冲，其场分布展现出双瓣横向极化螺旋 + 四瓣纵向极化螺旋的三维结构，在传播中时空非分离性不断增强，实验、仿真与理论高度一致。因为传统螺旋天线有金属背板，会破坏拓扑结构，所以研究者重新设计了无背板结构并精确馈入特定时域信号，使其能产生 Lekner 理论中的场形状。
图6 微波螺旋脉冲观测结果：（a1-a3）频谱分布；（b1-c3）空时场；（d1-d2）空时不可分离性
为什么这项突破意义重大？
本研究提出的螺旋脉冲产生方法，在现代无线系统中具有巨大的应用潜力:
①让20年前的经典电磁理论首次被实验验证：螺旋脉冲曾被认为是“存在于方程，但难以存在于现实”的波。如今首次在两个频段产生，实验证明其真实可控。
②打开超高速通信的全新维度：螺旋脉冲同时携带“拓扑+时空调制”信息，有望突破传统通信的容量极限。特别是空间-频率一一对应的特性，可以用于超高密度信息复用、抗干扰通信、非衍射式高速链路等。
③推动拓扑电磁场、超快物理、精密操控等前沿方向：作用于微粒时产生三维拓扑力场；单周期结构适合探索超快非线性效应；用于涡旋光镊、定向微加工；面向未来的超分辨测量系统。
④成为研究“电磁时空结构”的新平台：螺旋脉冲是测试时空不可分离行为的典型波包，将成为电磁场调控的新基础单元。
论文链接：
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65916-4
撰稿|课题组
