近日，来自新加坡南洋理工大学申艺杰课题组，新加坡科技研究局Ramon Paniagua-Dominguez课题组，和西班牙马德里理工大学Miguel A. Porras教授，联合在国际物理学顶刊Physical Review Letters发文，揭示了光涡旋和光斯格明子的神秘联系，构造出一种全新类型的光学斯格明子 -- 高斯-斯托克斯斯格明子（Gauss-Stokes skyrmion），文章的第一作者兼通讯是南洋理工大学物理系一年级博士生Nilo Mata-Cervera。
光涡旋（optical vortex）或者涡旋光束（vortex beam）具有标量相位奇点（phase singularity）的拓扑结构，并携带光学轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）是现代光场调控和结构光技术中的基础 [参见综述Light: Sci. & Appl. 8:90 (2019)]。
斯格明子（skyrmion）是一种具有非平凡拓扑特性、三维矢量的拓扑扭曲织构，在凝聚态物理、量子系统和手性磁材料等领域，尤其最近在光学领域成为火热话题 [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)]。
涡旋和斯格明子，两种不同类型的拓扑，它们能否产生联系？在结构光场中，光涡旋和光斯格明子到底是什么关系呢？
一般来说，光涡旋是标量光场，与偏振无关，可以是任意一个偏振态。而斯格明子是一种矢量织构，其构建必须要求具有不同偏振的两个或多个结构光场的叠加，从而产生具有空间分布的光学矢量结构。而这篇PRL的研究成果将完全颠覆我们的传统认知，居然在最简单的标量涡旋光中也可以自然形成斯格明子。
首先，让我们来看为什么我们说一个涡旋光束是标量光场。一个涡旋光束的解，如拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian，LG）模式，是在傍轴近似下，用分离变量法，把偏振分离后，求解横模波动方程得到的，自然解出光场的纵向份量是很弱的，我们一般可以忽略。我们自然可以说，光场处处具有相同偏振。但是有一点，我们不可忽略纵向场的存在，那就是光束的相位奇点，因为这里横向场强度为零，根据高斯定理，我们不能再忽略这里的纵向场。
换句话说，在一个涡旋相位奇点中心，因为不可忽略的纵向场，在涡旋中心周围，原本老老实实的横向偏振椭圆会被“翘起来”，而且因为角向相关的相位，是向各个不同方向“翘起来”。我们惊奇地发现，这些“翘起来”的偏振态恰好覆盖了一整个球面--这就是斯格明子的拓扑--一个参数球面上的所有自旋态（斯托克斯矢量）球极投影到一个二维局域平面上。
图2 + Gif: 光涡旋相位奇点周围存在的斯格明子
这些“翘起来”的偏振态也恰好可以被完备定义在一个偏振庞家莱球面（Poincaré sphere）上。在传统定义横向偏振态的庞家莱球面上，球面上的点用三个斯托克斯参量作为笛卡尔坐标描述，两个极点表示左右旋圆偏振态，而其他任意偏振态，对应不同的左右旋圆偏振的叠加态，分布在整个球面的其他点。与这种传统定义不同，在我们新的庞家莱球面上，两个极点分别表示纯横向偏振态和纯纵向偏振态，而其他任意“翘起来”的偏振态，对应不同的纯横和纯纵偏振的叠加态，分布在整个球面的其他点。我们在一个涡旋光的相位奇点周围观察到的斯格明子，就是在以这个新型庞家莱球作为参数空间做球极投影来的。
图3 高斯-斯托克斯-庞加莱球
图4 高斯-斯托克斯斯格明子
我们把这种斯格明子称为高斯-斯托克斯斯格明子（Gauss-Stokes skyrmion），我们依然用偏振斯托克斯矢量构建斯格明子，但是因为这里的偏振矢量分布并不像之前的斯托克斯斯格明子一样通过叠加不同偏振基底的结构光模式得到，而是在一个标量涡旋光的相位奇点，因为高斯定理的必要性，而自然存在的。我们还设计了一个简易的超透镜聚焦涡旋光实验，从实验上测到了这种斯格明子的存在。
图5 简单超透镜实验测量GS斯格明子（当然普通透镜聚焦也可以）
“光学斯格明子”竟是光学涡旋与生俱来的属性！
传统观念里，高阶光学涡旋的“暗核”只是相位奇点。我们的最新研究颠覆了这一认知：当把麦克斯韦方程组中一直被忽略的纵向分量纳入考虑，这个看似空无一物的中心竟隐藏着一个完整的“高斯-斯托克斯斯格明子”——一种覆盖整个横-轴偏振态空间的拓扑织构，天生携带整数拓扑荷，无需任何复杂光束整形！
🎯核心突破
• 无需叠加不同模式或偏振，仅凭“单模+均匀偏振”的标量光束即可实现；
• 纵向场由散度定律自然引入，首次让“相位奇点”与“偏振奇点”合二为一；
• 实验上仅用一片超构表面完成涡旋生成、聚焦与纵向场放大，首次直接成像斯格明子织构，实测拓扑荷≈1，与理论完美吻合。
🌟意义深远
1️ 基础层面：为光学涡旋的相位奇点赋予全新拓扑身份，打通“相位—偏振—拓扑”三大领域的认知壁垒；新型斯格明子具有全新的物理属性，无衍射，强拓扑稳定，等等值得进一步探究；
2️ 技术层面：把复杂斯格明子器件“压缩”成单个超构表面，为超紧凑拓扑光场芯片奠定物理基础；
3️ 应用层面：有望催生新一代高维OAM通信、超分辨计量与量子信息协议，让“结构化光”真正走向片上集成。
一句话总结：原来我们一直追逐的斯格明子，就藏在最普通的光学涡旋里——这一发现，或将重新定义未来光子器件的设计范式！
论文信息
https://doi.org/10.1103/ndy2-wxwx
