ACS封面|拓扑可调谐光学斯格明子

撰稿|由课题组供稿

富有精致三维矢量结构的拓扑准粒子——斯格明子（Skyrmion），由于其独特的拓扑稳定性而被广泛认为是一种具有高速度，高密度，低能耗等特点的高效信息载体，对下一代信息存储和传输技术革新具有重要作用。而现今对斯格明子结构的实验操控还存在很大局限。最近，来自中国，英国，和墨西哥的一只跨国联合团队，利用先进的空间结构光调制技术，成功实现一种广义的斯格明子的实验产生和精密调控。这一系列的斯格明子具有可调谐的拓扑态，其拓扑结构可以被自由调控任意多种典型构型（涡旋状、刺猬状、马鞍状等），一举解决了可调谐斯格明子产生的难题。相关工作近期发表在《ACS photonics》2022年第一期，并被选为封面文章。

在最新的对于量子系统、手性磁介质等多成分凝聚态的研究中，斯格明子作为一种在多参量连续对称性下的非平庸拓扑态被广泛报道。斯格明子最初由英国粒子物理学家托尼·斯格明（Tony Skyrme）在1962年提出作为核子的统一模型，它的行为就像具有精致纹理的纳米级磁漩涡。斯格明子起初是一种特殊的拓扑自旋结构，在量子场论、固体物理、磁介质等领域中有重要的地位。并且，最新的研究发现斯格明子也同样可以在光场中形成和被调控。

图1 左：斯格明子矢量场与参数空间矢量球的映射；右：斯格明子可以具有不同拓扑形态（Neel型展现刺猬形态，Bloch型展现涡旋形态，Anti型展现马鞍形态）

这种纹理可以理解为将一个带刺的矢量球展开到一个二维平面上，类似于球极投影，这种局限在二维平面的三维矢量场就表示一个斯格明子，就像我们可以多样地梳理“球上的毛发”，斯格明子具有丰富的拓扑态去调控。斯格明子有具有丰富的拓扑特性，换句话说，斯格明子拥有多种可能的结构如涡旋、刺猬、马鞍等。这些特殊的非平庸的拓扑结构对应了多种拓扑数，并且拥有不受限的维度。尽管在理论上早已预测，但是在实验上能够产生的自由调控拓扑结构的斯格明子在学界仍然是一项巨大挑战。如果可以打破这种斯格明子拓扑难以大范围自由调控局限，如果可以产生拓扑态可自由操控的斯格明子，将为下一代信息革命开辟了无限可能。

图2 不同拓扑形态的斯格明子

最近，来自中国，英国，和墨西哥的一只跨国联合团队，他们最新发表在ACS photonics封面的文章中，首次再说实验上证实了具有自由可调控拓扑态的斯格明子，拓充了一种广义的光学斯格明子族。再者，本文提出了一种更加直观的几何表征——斯格明-庞加莱模型，能够生动描述斯格明子在变化过程并且为后续的应用提供指导。

图3 斯格明-庞加莱模型：不同类型的斯格明子之间的转换可以被表征在一个几何环面上。

这项研究是第一次在实验中实现可调谐的光学斯格明子，并且能够实现之前很难实现的拓扑结构的变换——反斯格明子与斯格明子之间的转换。新的光学斯格明子产生方法不仅可以轻易实现这种拓扑变换，还可以自由延申到其他各种高阶的拓扑态。这种可调谐光学斯格明子的实验生成仅仅需要一个空间光调制器的数字全息系统，和简单的干涉光路实现的，其结果与理论构型非常吻合。相比于固体物理学中磁斯格明子生成方法，这种数字控制显示出极大的灵活性。

图4 可调谐光学斯格明子的实验产生装置

图5 可调谐光学斯格明子的实验产生结果

此外，这种光学斯格明子模型可以很容易地扩展到各种高阶拓扑结构，它承载着进一步拓充信息容量的载体的使命。从高能物理到磁性材料，高阶斯格明子对于现代物理研究的基本问题和实验产生仍然是巨大的挑战。而这项工作中提出的光学方法也可以顺利解决这个问题。

图6 各种高阶斯格明子的拓扑形态

通过数字结构光调制实现的拓扑可调谐斯格明子可以作为指导潜在应用的有效工具，如光通信、信息加密、自旋轨道相互作用和拓扑相变，为先进光子学基础理论拓展和实际应用带来新的机遇。

文章的第一作者兼通讯作者均为英国南安普顿大学高级研究员与玛丽居里学者申艺杰，共同通讯作者为哈尔滨理工大学副教授Carmelo Rosales-Guzmán，该项目得到了国家自然科学基金 (no. 61975047, no. 11934013);黑龙江省高层次人才计划资助项目(no. 2020GSP12)的资助。

Y. Shen*, E. C. Martínez, and C. Rosales-Guzmán, “Generation of optical skyrmions with tunable topological textures,” ACS Photonics 9(1), 296–303 (2022).

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c01703