APL Photonics封面：斯格明子正在加速飞行

新加坡南洋理工大学申艺杰助理教授团队与哈尔滨理工大学朱智涵教授团队合作，在拓扑光学领域取得重要进展。研究团队通过引入立方相位调控，成功制备出可在自由空间中沿抛物线轨迹传播的光学斯格明晶格，首次实现了拓扑光场的弯曲路径传播。这一成果为拓扑光场在光通信、微粒操控等领域的应用提供了全新解决方案。相关研究以“Optical skyrmion lattices accelerating in a free-space mode”为题，发表于APL Photonics期刊"Angular Momentum of Light"特辑，并被选为2025年第10卷第5期封面论文（图1）。

图1 APL Photonics Volume 10, issue 5封面故事：自由空间中加速传播的光学斯格明晶格。

在凝聚态物理、量子系统和手性磁材料等领域，斯格明子是一种具有非平凡拓扑特性、三维矢量结构的拓扑扭曲结构[背景参见近期综述Nat. Photon. 18, 15–25 (2024)，教程Adv. Opt. Photonics 17(2) 295-374 (2025)，和新闻Opt. Photon. News 36, 26-33 (2025)]。这些结构以整数斯格明数作为拓扑不变量，广泛应用于量子场论、磁性材料、固体物理等研究方向。近年来，斯格明子概念被引入光学领域，形成了光学斯格明光束——一种具有稳定非平凡准粒子拓扑结构的矢量光场。凭借其拓扑保护特性，光学斯格明光束对外界干扰具有极强的鲁棒性，在高安全性光通信和光学微粒操控等领域展现出巨大的应用前景。然而，传统光学斯格明光束仅能沿直线传播，无法实现弯曲轨迹的沿途演化，成为制约拓扑光场在高阶信息拓扑编码和传输应用的瓶颈问题。

针对这一瓶颈，研究团队受艾里光束横向自加速特性的启发，提出了一种生成横向自加速拓扑光场的新方法。在已有斯格明光束的基础上，通过引入立方相位调控，该光束在傅里叶变换后兼具了艾里光束的横向自加速特性以及斯格明晶格的矢量偏振结构。这种光束在自由空间传播过程中，尽管会受到艾里光束衍射特性的限制，导致一定的晶格退化，但其拓扑特性在一定传播距离内依然能够得以稳定保存（见图2）。

图2 (a) 加速斯格明晶格生成原理及 (b) 自由空间中斯格明晶格右（左）旋偏振基底横向加速轨迹示意图

为进一步验证加速斯格明晶格的拓扑稳定性，研究团队结合数字传播技术与空间斯托克斯测量技术，在无需移动相机以避免纵向位置误差的基础上，成功实现了对斯格明晶格在3.06瑞丽距离（Z_R）范围内三维偏振分布的精确层析扫描测量。实验直观地观测到斯格明晶格在自由空间中的横向加速传播轨迹，以及由此形成的三维平行自加速斯格明密度管状结构。同时，实验还清晰揭示了由于艾里光束衍射退化引起的晶格质量损耗现象（见图3）。

图3 加速斯格明晶格空间传播特性实验观测结果(a) 斯格明晶格右（左）旋偏振基底强度三维特性，(b) 三维管状斯格明密度分布及(c) 不同传播平面上的二维斯托克斯矢量和斯格明密度的分布

为了定量评估拓扑稳定性，团队进一步选取了斯格明晶格中的三个子单元进行斯格明数(N_SK)的测算（见图4）。结果表明，斯格明晶格在传播范围±40mm（约±1.22 Z_R）内保持的高稳定性，而处于斯格明结构中心的半斯格明子meron，以牺牲外围斯格明结构为代价，传播稳定性延伸至±100mm（约±3.06Z_R）。这些数据表明，本研究所提出加速拓扑光场生成方法能够在自由空间内有效实现沿弯曲轨迹传播的高稳定性光学斯格明晶格。

图4 加速斯格明晶格的拓扑稳定性定量评估 (a) 斯格明晶格及 (b) meron晶格

研究团队首次将艾里光束的加速传播特性与拓扑结构相结合，成功实现了拓扑光场的弯曲传播。这一创新不仅突破了现有拓扑光场在传播模式上的固有限制，未来还将通过调节艾里光束的缩放因子，提供灵活控制传播轨迹曲率的方法，为生成多样化拓扑结构提供了新的可能性。这项研究使斯格明晶格成为极具潜力的研究平台，使其在微粒分选、先进显微成像、等离子体导引通道、电子束操控及放电引导等前沿领域展现出广阔的应用前景。

论文信息

该研究工作于2025年5月9日以“Optical skyrmion lattices accelerating in a free-space mode”为题发表在APL Photonics上（DOI：10.1063/5.0255824）。

新加坡南洋理工大学申艺杰团队与哈尔滨理工大学朱智涵团队合作共同完成该成果，于新加坡南洋理工访问交流的哈尔滨理工大学博士研究生吴海俊和新加坡南洋理工大学硕士生周炜杰为论文共同第一作者，南洋理工大学申艺杰教授与哈尔滨理工大学朱智涵教授为共同通信作者。研究工作得到国家自然科学基金项目(12474324, 62075050, 11934013)，Singapore Ministry of Education (MOE) AcRF Tier (RG157/23)，MoE AcRF Tier 1 Thematic (RT11/23)，Imperial-Nanyang Technological University Collaboration Fund（INCF-2024-007），Singapore Agency for Science, Technology and Research (A∗STAR) MTC Individual Research Grants（M24N7c0080），Nanyang Assistant Professorship Start Up Grant支持。

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