文章来源：中国光学
本文由论文作者团队投稿
电磁拓扑构奇观，
矢量标量两相缠。
斯格明子织金甲，
涡街星斗落玉盘。
引言
涡环是一种引人入胜的三维结构，它们对应于纳维-斯托克斯方程（Navier–Stokes equations）的一类特殊解，具有诱人的拓扑保护旋转前进行为，已经在流体力学、空气动力学、电磁学中引发一轮研究热潮。
2022年，Nature Photonics背靠背发表两项独立研究，首次在自由空间中实验生成孤立环形电磁场，推动了三维光场调控的发展。一种是利用径向极化场构建类似流体涡旋的电磁矢量环形电场（图1a-b），并借助超表面设计实现稳定传播（Nat. Photon. 16, 523–528 (2022)）。另一种则基于相位调控，利用两级相位元件将时空光学涡旋“弯折”成闭合环形（图1c-d），生成大尺寸孤立相位涡旋（ Nat. Photon. 16, 519–522 (2022)）。这两项研究拓展了结构光的调控方式，或可用于光镊、生物成像、量子通信等前沿领域。光涡环的发现不仅加深了对光场拓扑特性的理解，也为光子学迈向更高维度提供了新思路。
图1：两种环形脉冲, (a, b) 电磁场矢量形成的矢量电磁涡环；（c, d）相位形成的标量电磁涡环
图源：Nature Photonics
近日，光涡环领域的研究发生了重大突破。由电子科技大学王任副教授与南洋理工大学申艺杰助理教授领衔的团队提出并成功产生混合涡环。该工作以“Hybrid electromagnetic toroidal vortices”为题，发表在Science Advances 期刊上。
混合涡环的结构由电磁场矢量形成的矢量电磁涡环和由相位形成的标量电磁涡环耦合而成，融合了拓扑斯格明子、横向轨道角动量、空时场、电磁涡街等重要特征，是一种具有传播稳定性的电磁准粒子。这项发现不仅为电磁学注入新活力，更让未来通信与探测技术迎来曙光。
图2：混合涡环及其产生方案
图源：Science Advances
电磁场矢量与标量的“天作之合”
传统矢量电磁涡环和相位标量涡环曾各自谱奏过绝美的光电乐章，混合涡环的登场，将上演电磁矢量与标量的琴瑟和鸣！为了产生混合涡环，王任，申艺杰等人提出了一种由同轴喇叭和超表面组成的发射器，如图2所示。该发射器由同轴喇叭和超表面组成，其中同轴喇叭可以发射径向极化脉冲（称为电磁炮），（请见该团队预先工作Applied Physics Reviews 11, 031411 (2024)），而超表面具有谱-频涡旋响应，可以将径向极化脉冲转化为混合涡环。标量涡环携横向轨道角动量疾驰；矢量涡环则以斯格明子拓扑纹理筑起抗干扰屏障。它们的关系恰似阴阳相生，缺一不可。
混合涡环的标量涡环特性如图3所示，其相位绕垂直于传播方向的一个奇点环呈现涡旋特征，具有横向轨道角动量。该标量涡环所绕的奇点环处会形成一个矢量鞍点，从而在其内侧形成一个由电场形成的矢量涡环，如图4所示。在混合涡环中，矢量涡环与标量涡环呈现耦合嵌套的拓扑关系，并在横向截面表现为斯格明子拓扑纹理。
图3：混合涡环的标量涡环特性
图源：Science Advances
图4：混合涡环中的矢量涡环和拓扑斯格明子
图源：Science Advances
卡门涡街撰写电磁场中的“流体诗篇”
实验中令人拍案叫绝的，莫过于“电磁涡街”的现身——这本是流体力学中 “怒流触石“ 后出现的一种现象（请参看图5中GIF），具有稳定的拓扑纹理和亚波长特征。电磁涡街不久前刚刚被理论预测（Nat Commun 15, 4863 (2024)），现在该研究首次在电磁场中实验观测到了涡街现象。今涡街在电磁场中绽放异彩是自然界的规律在跨界呼应。流体与电磁，看似相隔万里，实则共享数理之美。
混合涡环后方，亚波长涡旋如“拓扑珠链”次第排列 （图5红色环形箭头标示），矢量与标量涡环的相互耦合作用，使混合涡环中产生了电磁涡街等新奇特征。
图5：流体涡街和混合涡环中的电磁涡街
图源：Science Advances
应用前景：从信息海洋到微观宇宙
本研究所提出的混合涡环理论和产生方法，不仅适用于微波频段，也适用于太赫兹和光学等频段，在现代无线系统中具有巨大的应用潜力：
通信革新：矢量涡环已经被证明具有抗扰动传输特性，这意味着混合涡环也将具有拓扑保护的抗扰动传输特性，有望提高信息和能量传输的稳定性，这将令信号“风雨不动安如山”；
容量飞跃：混合涡环中同时含有两种重要的信息传输载体，横向轨道角动量和斯格明子，这为在不增加传输口径的情况下大幅提高信息容量提供了可能；
探测极限：混合涡环中含有大量具有不同特性的空时奇点和亚波长结构，可以用于超分辨率探测与成像突破衍射桎梏；
光镊操控：特殊拓扑结构化身“无形之手”，为量子操控和新型波与物质相互作用提供全新舞台。
一鼓轻雷知惊蛰。混合涡环的发现，恰似那声预兆技术革新的春雷。当未来某日，6G信号穿透迷雾、显微镜捕捉病毒衣壳的褶皱，人们回望此刻或会叹到：这场电磁场的双环之舞，早已为人类埋下跨越维度的密钥。
论文信息
Ren Wang et al. , Hybrid electromagnetic toroidal vortices. Sci. Adv. 11,eads4797(2025).
https://doi.org/10.1126/sciadv.ads4797
