撰稿|课题组供稿
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美与力量的结合：卡门涡街
诗歌是思想的凝练，物理学是人类对自然认识的凝练，其何尝不是一部引人入胜的诗歌？事实上，古诗词中物理学的身影也着实常常出现。
“人鲊瓮头翻白波，怒流触石为漩涡。”这是明诗人孙蕡在《下瞿塘》中描绘其三峡行舟时，滩险水急的景象。瞿塘峡口江心的滟滪堆，是一块砥柱中流的巨石。洪水暴发之时，怒流直泻，狂澜拍空，涡流千回百转，这便是涡街在古诗词中的一片衣袂。涡街是常见的自然现象，由于西奥多•冯•卡门在该领域的卓越贡献，‘涡街’ 前常冠以卡门的名字，称为 ‘卡门涡街’（Kármán vortex street）。卡门涡街是一种经典的旋涡流动模式，具有高度的组织性。当流体绕过的障碍物时， 物体两侧会周期性地产生一组旋转方向相反的漩涡。卡门涡街以其美感和巨大的力量而闻名世界。
动图：自然界的涡街
在意大利博洛涅圣多米尼克教堂（Church of St Dominic in Bologne）的博物馆里，有一幅画描绘了圣克里斯托弗抱着婴儿耶稣过河的情景。画家描绘了一排克里斯托弗赤足涉水时后踵交织的漩涡。西奥多•冯•卡门也曾在其传记中表示，他对涡街的研究受到了这幅画的启发。这是自然科学与人文的一个引人入胜的交织。1940年，美国的一座名为Tacoma Narrow Bridge的悬索桥建成仅四个月就在一次大风天气中坍塌。这是由于桥体的不当设计导致了卡门涡街的产生。涡街致使桥体发生振动，引发了共振，最终导致了桥梁的损毁。这一事件标志着人类首次认识到卡门涡街的威力。
最近，在《Nature Communication》上以题为“Nondiffracting supertoroidal pulses and optical ‘Kármán vortex streets’”的文章中，来自新加坡南洋理工大学申艺杰助理教授及其英国南安普顿大学的合作者报道了卡门涡街的光学模拟——无衍射超级电磁涡环。这种光学环形涡街脉冲揭示了结构光的能量流传播和流体动力学之间令人着迷的相似之处。其场结构与卡门涡街有很强的相似性，都具有交错的奇点，并且该脉冲可以稳定地向前传播。这项工作使得研究电磁斯格明子场的传播动力学成为可能，且其未来将会作为信息传输应用的定向能量信道受到广泛关注。
无衍射电磁涡环形成涡街的艺术效果图
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新加坡南洋理工大学申艺杰助理教授团队近年来在拓扑结构光场与电磁波这个新领域发表了一系列重要工作，包括首次自由空间斯格明子的实验产生（ACS Photonics 9(1), 296–303 (2022)；https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c01703）；光学双半子光束的提出（Opt. Lett. 46(15), 3737-3740 (2021). https://doi.org/10.1364/OL.431122）；环形脉冲与超级电磁涡环脉冲（Nat Commun 12, 5891 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-26037-w；Nat. Photon. 16, 523–528 (2022). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01028-5）；光学斯格明子的非线性保形变换（Optica 9(2), 187-196(2022). https://doi.org/10.1364/OPTICA.444685）；光学高阶霍普夫子的产生（Adv. Photonics5(1), 015001 (2023) https://doi.org/10.1117/1.AP.5.1.015001）；复杂斯格明子微器件产生（https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.21.024025）；以及最近对光学斯格明子的综述文章（Nat. Photon. 18, 15–25 (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-023-01325-7）。
NDSTP起源于Ziolkowski为求解少周期的聚焦电磁脉冲（麦克斯韦方程组的局域有限能量分布，时空不可分离的解）引入的“电磁定向能量脉冲列”（EDEPT）理论。因此，NDSTP是局域有限能量的时空不可分离脉冲。研究发现，其磁场兼具有径向和纵向分量，这致使该脉冲产生涡流型和马鞍型这两种矢量奇点如图2(a1)所示。马鞍型奇点沿脉冲的传播轴分布，而旋涡奇点的分布却是离轴的。在脉冲的横平面上，这些奇点分布诱发多个斯格明子如图2(a2)所示。斯格明子是一种复杂的拓扑粒子，最初由Tony Skyrme于1962年作为核子的统一模型而提出。该拓扑粒子的行为就像具有壮观纹理的纳米级磁涡旋。不同于以往工作中提出的存在于自由空间的斯格明子只存在于焦点周围并在传播时迅速坍塌的特性，NDSTP的拓扑结构在传播过程中具有很强的鲁棒性，这些拓扑结构在四种斯格明子类型之间表现出周期性的交替行为。此外，作者们还注意到NDSTP的一个有趣特征：“能量传输是由磁场的涡流阵列介导的。脉冲前半部分的涡流充当源的角色，而后半部分的涡流则为汇。在源和汇之间，观察到了延伸回流的区域。在高强度区域，能量主要向前流动，确保脉冲的传播。”（如图2所示）
图2. (a) NDSTPs的磁场及(a1)放大图，图中黑点代表奇点，其周围的红色箭头标记了矢量奇点的类型（涡流和鞍形）；(a2) 箭头图显示了z=10处横向平面中磁场的斯格明子结构，右上方的小插图突出了斯格明子纹理中场矢量反转区域的深亚波长特征（q1是有效波长，与脉冲的中心波长λ成正比（q1≈0.24λ），q2与描述纵向空间发散的瑞利长度）(b), NDSTPs的能流矢量场，一系列灰色小箭头表示矢量的分布。黑色的实线和点都表示该处坡印廷向量的零，红色和蓝色箭头分别表示具有正向和反向能量流的区域。
令研究人员惊喜的是， NDSTP具有两列环流的流向相反的涡旋团，它们周期性交错的传播轨迹与流体力学中的卡门涡街非常相似，如图2所示。研究人员表示，进一步探索流体力学中的卡门涡街和光学卡门涡街脉冲之间的相似性，可以通过对横向磁脉冲中电子沿其涡街的运动或该脉冲在非线性介质中传播的研究来实现。
研究人员介绍了一种新型名为无衍射超级涡环光脉冲，拓展了环形脉冲家族的种类。该脉冲是少周期时空不可分的，具有如能量回流、奇点的分形组构和类斯格明子场构型这些特性；特别的是其时空拓扑特征在传播过程中可持续存在。此外，脉冲具有两列环流流向相反的涡旋团，它们周期性交错的传播轨迹与流体力学中卡门涡街非常相似。这些脉冲有望助力物质中涡环激发光谱的研究，其深亚波长奇异性可以应用于计量学。此外，这些光脉冲可以用于基于拓扑特征编码的长距离信息传输，有潜力被应用于电信、遥感和激光雷达等信息传输场景。
文章信息：
Nondiffracting supertoroidal pulses and optical “Kármán vortex streets” Yijie Shen, Nikitas Papasimakis, and Nikolay I. Zheludev
Nat Commun 15, 4863 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48927-5
