撰稿|由课题组供稿
近日，由新加坡南洋理工大学助理教授申艺杰，英国牛津大学讲师何超与教授Martin Booth研究组、南非金山大学教授Andrew Forbes、以及清华大学相关研究人员组成的国际合作团队在《Physical Review Applied》上以题为“Topologically Controlled Multiskyrmions in Photonic Gradient-Index Lenses”，发表复杂拓扑斯格明子（Skyrmions）紧凑型光源的开创性工作，利用级联梯度渐变折射率细棒透镜（GRIN lens）系统中实现多种新型高阶拓扑数可调控的光学拓扑准粒子——多级斯格明子（Multiskyrmion），该紧凑系统可应用于复杂粒子图形纹理设计的可编程解决方案，具有革新拓扑信息学及其逻辑器件对潜力。
研究人员利用GRIN lens系统，扩展了例如高阶多极斯格明子（Multiskyrmion）和高阶多极半子（Multimeron）家族成员，同时，除传统斯格明子数（Skyrmion number, Ns），引入了多个拓扑量对实验中对光子准粒子进行描述，包括中心数Centrality (Nc)，径向数Radiality (Nr)，涡旋数Vorticity (Nv)和极性Polarity (Np)。研究人员首先通过改变入射光的极化，从左旋圆极化到线极化再到右旋圆极化，实现了对Np的动态调控。接着，研究人员通过改变透镜的级联方式，包括GRIN lens、半波片和四分之一波片，实现了Ns，Nc，Nr和Nv的动态改变，实现了高阶斯格明子，同时阐述了各个物理量之间的关系。该工作提供了复杂粒子纹理的集成和可编程解决方案，为芯片上的固态存储设备、超高容量信息编码和传输打开了新方法。
随着信息技术的发展，5G/6G通信系统对信息容量和信息存储的要求急剧提高。斯格明子是一种拓扑稳定的场构型，因其稳定的拓扑不变量（斯格明数），有望成为信道容量和信息存储技术的理想煤质。斯格明子最早是由英国物理学家Tony Skyrme 于20世纪60年代提出，是一种非线性介子场理论，将亚原子粒子描述为单一量子场的激发。近年，斯格明子在凝聚态物理、声学以及光学领域等多物理体系得到广泛研究。
新加坡南洋理工大学申艺杰助理教授团队近年来在光学斯格明子或光学拓扑准粒子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）；时空脉冲中的斯格明子（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）；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）。
然而，之前关于光学斯格明子研究受限于低阶拓扑态，且通常需要复杂、臃肿和昂贵的系统实现。该研究采用GRIN透镜如图1（a）所示，由梯度渐变折射率透镜阵列构成，入射光进入该系统可以形成矢量结构光，并实现理想的高阶斯格明子。如图1（b）（c）所示为不同斯格明数的理想斯格明子极化分布图，并阐述了Ns和Nc两个物理量之间的关系。图1（d）则阐述Skyrmionium、Skyrmion和Meron之间的关系。图1（e）说明了斯格明子的拓扑保护不变性。
图1 （a）GRIN 透镜结构示意图；（b）由GRIN透镜系统产生不同的极化矢量光场及其对应的（c）复杂光子准粒子；（d）二阶斯格明子矢量分布中Skyrmionium、Skyrmion和Meron之间的关系（e）拓扑保护光子斯格明子：Néel型斯格明子、Bloch型斯格明子、反型斯格明子矢量分布。
图2 不同级联GRIN透镜系统实现不同拓扑准粒子的实验结果。（a）测试的量子斯格明数（N）与最大纠缠态的状态保真度（F）函数关系；（b）由原始波函数和扭曲波函数定义的坐标变换；（c）纠缠衰变导致波函数的平滑变形；（d）纠缠消失时刻的非平凡拓扑消失。
图2为斯托克斯矢量场测量系统下，不同级联GRIN透镜系统实现不同拓扑准粒子的实验结果，包括单GRIN透镜、双GRIN透镜、双GRIN透镜+半波片、单GRIN透镜+半波片+四分之一波片，以及4个透镜系统级联，实现了对拓扑参数的可控。例如在单GRIN透镜系统中（NGRIN = 1），研究人员通过入射光极化的左旋圆极化-椭圆极化-线极化-椭圆极化-右旋圆极化渐变，从Nr = 1, Nv = 2 的Skyrmion变化为Nr，Nv不变，Np符号改变的Skyrmion，即(Nr,Nv,Nc) = (Ncascade, 2×(Ncascade mod 2), 1)。该结果展示了利用GRIN透镜组，控制系统中的矢量结构光，实现了由多个拓扑数表征的复杂自旋纹理构造。
这一开创性研究对斯格明子光束的控制和生成提供了全新的方法，有望推动对拓扑光束形成和光-物质相互作用的进一步研究，为各个领域带来更丰富的应用前景。
Y. Shen, C. He, Z. Song, B. Chen, H. He, Y. Ma, J. A. J. Fells, S. J. Elston, S. M. Morris, M. J. Booth, and A. Forbes, Topologically controlled multiskyrmions in photonic gradient-index lenses, Phys. Rev. Appl. 21(2), 024025 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.21.024025
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