直接发射涡环：从空气炮到“电磁炮”
涡环，这种神秘而美妙的自然现象，无论是在空气中还是在电磁波中，都展现出令人叹为观止的结构和行为。想象一下，一个空气炮能够发射出涡环空气炮弹，形成一个完美的空气涡环，在空气中缓缓前进，仿佛一只无形的手在空中画出一道优雅的曲线。这种涡环现象不仅仅是物理学中的奇观，更是自然界的杰作。
喇叭结构发射空气炮
同轴喇叭发射电磁“空气炮”
观测新奇特性：稳健传播的拓扑准粒子
使用同轴喇叭发射电磁涡环的方案如图1所示，其发射设备是一个超宽带径向极化锥形同轴喇叭天线。图1(b)显示了激励天线的整体波形，输出波形为馈入信号的微分，与自由空间电磁涡环的空时波形一致（图1(c)）。
图1. 由同轴喇叭生成电磁涡环：(a)同轴喇叭天线，前视图 (a1) 和后视图 (a2)；(b) 馈电信号；(c) 电磁涡环的时空演化：(c1) 和(c2) 是在不同时间点电场的空间等值面；(d) 电磁涡环的结构示意图。
通过对脉冲电场的矢量时空变换，研究团队观察到，这些电磁涡环脉冲在传播过程中逐渐演化，显示出更强的时空不可分性，并朝着更接近经典Hellwarth-Nouchi脉冲的方向发展，如图2所示。这种特性使得电磁涡环脉冲在传播过程中能够保持其拓扑结构的稳健性，即使在有环境干扰的情况下，仍能有效传播，确保了脉冲的整体形态和能量的长距离传输。这种空时不可分离性的自修复特性对高精度计量学和复杂信息编码有着重要意义。
图2. 电磁涡环空时不可分离性随传播距离的演化：包括相干度（con）和纠缠度量（EoF）。相干度和纠缠度量随着距离迅速增加并保持在0.9以上，且插入的状态层析矩阵随传播逐渐对角化，表明生成的脉冲在传播过程中向更强的空时不可分离性演变，并更接近经典Hellwarth-Nouchi脉冲。
该研究团队还首次在实验中观测到了嵌入在电磁涡环脉冲中的斯格明子纹理，如图3所示。这些纹理在不同横截面上展现出独特的结构，包括在中心轴上的鞍点和远离中心轴的涡旋环。这些斯格明子纹理具有独特的Néel型螺旋特性，其拓扑性质在传播过程中保持稳定，进一步验证了涡环脉冲的拓扑准粒子特性。这一发现为未来在拓扑数据存储和处理方面的应用提供了新的可能性。
图3. 实测空时分布的矢量场：图(a1) 、(b1)和(c1)中的绿色三角形和圆圈分别标记了鞍点和涡旋环的位置；图(a1)、(b1)和(c1)中的绿色虚线分别表示在xy平面上特定时间的斯格明子纹理位置，如图(a2)、(b2)和(c2)所示。在(a3)、(b3)和(c3)中，矢量场的球面覆盖范围分别对应于(a2)、(b2)和(c2)中的斯格明子纹理，覆盖了球面的表面，确认了电磁空时斯格明子的存在。
应用前景广阔：信息传输与探测定位
利用宽带锥形同轴喇叭天线生成电磁涡环脉冲的方法，非常简单高效且紧凑。这种方法不仅能在实验室环境中实现，而且在现代微波无线系统中具有大规模应用的潜力。
这种新型的电磁涡环脉冲生成方法在高容量通信和遥感等领域展现出巨大的应用前景。涡环脉冲作为信息载体，不仅能够实现高效的信息传输，还能通过其独特的频谱和极化特征用于目标检测和定位，研究人员已经据此提出了一种新型定位方法（https://arxiv.org/abs/2405.05979）。此外，这项研究揭示了电磁涡环脉冲在传播过程中具有自修复特性，为未来设计更加复杂和高效的电磁脉冲生成方案提供了新的思路。
通过这项突破性的研究，科学家们不仅展示了电磁涡环脉冲的生成和传播特性，还揭示了其在信息传输、遥感和光谱学等领域的巨大潜力。这种类似“电磁空气炮”的创新方法，为未来的无线应用打开了新的大门，也为科学探索提供了更广阔的舞台。
文章信息：
Ren Wang; Pan-Yi Bao; Zhi-Qiang Hu; Shuai Shi; Bing-Zhong Wang; Nikolay I. Zheludev; Yijie Shen
Observation of resilient propagation and free-space skyrmions in toroidal electromagnetic pulses, Applied Physics Reviews, 11, 031411 (2024) https://doi.org/10.1063/5.0218207
