無需精雕細(xì)琢：普通聚焦光場(chǎng)自發(fā)涌現(xiàn)抗干擾拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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用放大鏡聚焦陽光點(diǎn)燃紙片，這是童年常見的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。沒人想到，這束看似簡(jiǎn)單的聚焦光束內(nèi)部，竟藏著一個(gè)精妙的"拓?fù)淇?。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)最新研究發(fā)現(xiàn)，普通透鏡聚焦產(chǎn)生的光場(chǎng)中，無需任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)光設(shè)計(jì)，就能自發(fā)形成一種半斯格明子式的光學(xué)自旋紋理。這種結(jié)構(gòu)像被施了魔法，在強(qiáng)噪聲干擾下依然穩(wěn)如泰山。

斯格明子最初是物理學(xué)家托尼·斯格明子提出的核子模型，如今成為凝聚態(tài)物理的明星概念。在磁性材料中，它描述一種自旋方向連續(xù)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，類似頭發(fā)旋渦。這種結(jié)構(gòu)具有拓?fù)浔Ｗo(hù)特性，像打了結(jié)的電話線，局部擾動(dòng)無法輕易解開。

光學(xué)領(lǐng)域此前要實(shí)現(xiàn)類似結(jié)構(gòu)，必須依賴空間光調(diào)制器、渦旋波片等精密器件，對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行"精雕細(xì)琢"。中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光束通過透鏡聚焦時(shí)，傳播過程本身的衍射和干涉效應(yīng)，就會(huì)在焦平面附近自發(fā)涌現(xiàn)出半斯格明子自旋紋理。這是光場(chǎng)內(nèi)在動(dòng)力學(xué)自然演化的結(jié)果。

這種內(nèi)稟結(jié)構(gòu)為何如此抗干擾？秘密藏在焦場(chǎng)中的相位渦旋里。當(dāng)光波匯聚時(shí)，波前像螺旋樓梯般旋轉(zhuǎn)，形成相位奇點(diǎn)。這種渦旋賦予光場(chǎng)非平庸的拓?fù)湫再|(zhì)，構(gòu)成一道"護(hù)城河"。

實(shí)驗(yàn)顯示，即使入射光的偏振、幅度、相位遭受強(qiáng)隨機(jī)擾動(dòng)，自旋紋理依然穩(wěn)定存在。擾動(dòng)只會(huì)導(dǎo)致渦旋位置發(fā)生連續(xù)漂移，就像龍卷風(fēng)整體移動(dòng)但旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)不滅。這與磁性體系中由內(nèi)稟相互作用產(chǎn)生的拓?fù)浼ぐl(fā)形成有趣呼應(yīng)。

拓?fù)涔庾訉W(xué)是近十年飛速發(fā)展的前沿領(lǐng)域。2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予拓?fù)湎嘧兝碚摵螅鈱W(xué)拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浼す馄鞯雀拍钕嗬^涌現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)往往需要超構(gòu)表面、光子晶體等微納加工結(jié)構(gòu)，或復(fù)雜的光場(chǎng)調(diào)控光路，環(huán)境適應(yīng)性差。

此次發(fā)現(xiàn)提供了全新范式。普通聚焦光路即可生成穩(wěn)定的拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)，極大降低了技術(shù)門檻。這意味著在惡劣的通信環(huán)境、生物組織的強(qiáng)散射介質(zhì)中，抗干擾的拓?fù)涔鈭?chǎng)更容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于量子信息編碼、光通信加密等需要高保真度的場(chǎng)景，這開辟了低成本、高魯棒性的新路徑。

中國(guó)在該領(lǐng)域布局深遠(yuǎn)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期深耕量子光學(xué)與拓?fù)涔庾訉W(xué)交叉領(lǐng)域，此前已在斯格明子光場(chǎng)調(diào)控、拓?fù)浔Ｗo(hù)量子態(tài)傳輸?shù)确矫嫒〉猛黄啤４舜蝺?nèi)稟拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著從"人工設(shè)計(jì)"向"自然涌現(xiàn)"的范式轉(zhuǎn)變，國(guó)際上尚屬首次系統(tǒng)驗(yàn)證。

從產(chǎn)業(yè)鏈視角看，拓?fù)涔庾有酒⒖垢蓴_光通信系統(tǒng)的實(shí)用化進(jìn)程正在加速。中國(guó)擁有完整的光學(xué)元件制造體系和龐大的光通信市場(chǎng)，這種"極簡(jiǎn)主義"的拓?fù)涔鈭?chǎng)生成方案，有望在集成光子器件中找到落地場(chǎng)景，減少對(duì)外部精密調(diào)控系統(tǒng)的依賴。

科學(xué)發(fā)現(xiàn)有時(shí)就藏在最尋常的現(xiàn)象中。當(dāng)一束光穿過透鏡，它攜帶的不僅是能量，還有大自然內(nèi)置的拓?fù)涿艽a。這項(xiàng)研究提醒我們，復(fù)雜的功能未必需要復(fù)雜的裝置。在噪聲無處不在的真實(shí)世界里，這種"天生抗噪"的光場(chǎng)結(jié)構(gòu)，或許正預(yù)示著下一代光子技術(shù)的黎明。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué). 研究揭示聚焦光場(chǎng)中內(nèi)稟自旋紋理. 中國(guó)科學(xué)院.