想象对着玩具风车吹气，叶片便忽快忽慢转了起来。现在把风车换成纯光，控制光自身结构像风车一样旋转，这就是近期南洋理工大学申艺杰教授带领的团队创造的全新光拓扑结构。研究成果以“Photonic Torons with 3D Topology Transitions and Tunable Spin Monopoles”为题发表在Physical Review Letters上。文章第一作者为同时在南洋理工大学和新加坡国立大学交换的哈尔滨理工大学博士生吴海俊，南洋理工大学博士生Nilo Mata-Cervera和斯坦福大学博士生王海闻提供了理论计算支持，该工作受到了哈尔滨理工大学朱智涵教授和新加坡国立大学仇成伟老师的指导。
寻求和操控非平凡和更高维的拓扑结构及其相变与稳定性效应，一直以来在凝聚态物理、量子系统和手性磁材料等领域具有重要意义，承载了人们对高稳定大容量信息存储的梦想，尤其最近在光学领域成为火热话题，因为自由空间结构光提供了更高的维度和更多的自由度去构建非平凡拓扑结构并让拓扑结构动态传输【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)】。
拓扑结构纷繁复杂，但大体可分为两类：
最近出现了一类兼具拓扑缺陷与织构特征的奇异混合拓扑结构——Toron：一种极新颖的三维矢量结构，形似小风车，其“轴心”固定两个单极子缺陷，而“扇叶”则构成斯格明子织构。Toron结构因为其在液晶体系中的发现而备受关注【PRX 7, 011006 (2017); Nat. Phys. 19, 451–459 (2023); Science 365, 1449–1453 (2019) 等】，并展现出引人入胜的光-物质相互作用【Nat. Photon. 16, 454–461 (2022); Adv. Mat. 36, 2308425 (2024); Sci. Adv. 10, eadj9373 (2024) 等】（正如吹动风车时的迷人动力学）。然而，自由空间光场中的Toron尚未在任何物理体系中被观测到。
图1：Toron拓扑概念。(a1) 三维单位矢量或自旋分布s(x,y,z)在选定的横向截面中突出了子空间二维织构，其中在z = ±zm处的两个单极子缺陷结构在(a2)和(a3)中用红色和蓝色表示。(b) 相应的等自旋纤维丛，遵循光子Toron的自旋密度矢量S，如同风车的结构 (c)。
那么能否利用光场或结构电磁波构建Toron拓扑，以契合当前利用复杂类粒子光拓扑作为新型信息载体的主流方向。然而，创建光学Toron是一个更基本的物理挑战。麦克斯韦方程本身并不支持电磁场或偏振出现单极子。怎么办？光还有多种物理矢量 —— 光的自旋或许可行。
本工作首次在光子自旋场中理论提出并实验实现了Toron拓扑结构——吹动“光子小风车”。研究团队利用矢量结构光场的自旋角动量密度作为“矢量序参量”，在自由空间实现了纯光学版本，并首次观测到 Toron ↔ Hopfion ↔ Skyrmionium ↔ 单极子对的连续拓扑相变。
图2：三维拓扑相变图与三维拓扑动态相变。
实验方法：借助空间光调制器（SLM）与偏振干涉仪，仅用桌面级光学系统即可按需生成四种高维拓扑光场，并全程录像拓扑转换。
开创性意义：不仅实现了Toron，还首次在光学自旋中实现了包括霍普夫子、斯格明子、单极子对等典型拓扑结构之间的拓扑相变，这些三维光学自旋的拓扑结构均是实验首次观测。
图3：实验结果（a）霍普夫子（b）右旋toron（c）孤立单极子对（d）斯格明子束（e）右旋toron弱旋性（f）左旋toron。
旋钮式调控：通过两个实系数 (α, β) 即可像调旋钮一样连续调节
• Toron 的手性（左旋/右旋）
• 单极子对螺旋度（大角度连续可变）
• 拓扑纹理的“松紧”程度
所有类型的单极子都可以被调控出来，我们能够自由调控Toron的手性以及单极子的螺旋度，从而对所有类型单极子实现前所未有的控制。
拓扑稳定性更强：相比以往基于 Stokes 矢量的光学拓扑态，自旋纹理对光束相位扰动免疫，传输距离显著提升，为未来大容量、抗噪、鲁棒光通信奠定新途径。
图4：单极子旋性与toron手性操控与相变图。
跨领域启发：该工作提出的“合成磁单极子”及“拓扑光束分子”概念，可直接迁移到声波、弹性波、水波及手性磁性材料，催生更多三维拓扑准粒子研究，并解锁跟多非凡光与物质相互作用，尤其是拓扑光与拓扑物质的耦合。
让光成为拓扑世界的积木，Toron 只是开始。
文章链接：
H. Wu, N. Mata-Cevera, H. Wang, Z. Zhu, C. Qiu, Y. Shen* "Photonic Torons with 3D Topology Transitions and Tunable Spin Monopoles" Phys. Rev. Lett. 135, 063802 (2025) DOI: https://doi.org/10.1103/8pb4-zy7c
