科研兴校 | 国际上首次发现的新光学斯格明子结构

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深圳大学纳米光子学研究中心杜路平教授、袁小聪教授近日在Nature Physics上发表了重要原创性成果，在国际上首次报道了由光的自旋-轨道耦合产生的“光学斯格明子”结构，为微纳尺度的光场调控提供了全新的思路。杜路平教授是该文章的第一作者和共同通讯作者，袁小聪教授是共同通讯作者，深圳大学是第一单位和第一通信单位。

“斯格明子”是什么

“斯格明子(skyrmion)”是一种具有拓扑保护性的准粒子。自1962年由英国物理学家Tony Skyrme提出以来，先后在波色-爱因斯坦凝聚、二维电子气、超导、液晶、手性磁性材料等中被发现。其中，磁斯格明子(magnetic skyrmion)，一种由电子自旋-轨道耦合相互作用形成的具有微纳米尺度的电子自旋涡旋结构，近年来受到广泛的关注。

由于受到拓扑保护，相比于传统的磁存储基本单元（磁畴），磁斯格明子可以被压缩到更小的尺寸，而且具有更高的稳定性；同时，它可以被很低的电流所驱动，因此，被广泛认为是未来实现高速度，高密度，低能耗磁（自旋）存储器件的基本单元。

光学斯格明子

作为另一种信息载体，光也具有自旋角动量和轨道角动量。近年来，人们发现，光的自旋和轨道角动量之间的相互耦合能产生出许多与电子类似的物理效应，包括自旋霍尔效应、量子自旋霍尔效应等等。

我校杜路平、袁小聪教授研究团队发现，在光学近场条件下，光的自旋-轨道角动量之间的耦合会形成一种与磁斯格明子相同的光学自旋分布。对于隐失波条件下的光学旋涡光场，其自旋矢量分布呈现一种Neel类型的斯格明子；而对于紧聚焦条件下的光学旋涡光场，其自旋矢量分布呈现一种Bloch类型的斯格明子。这是在国际上首次发现并报道了由光学的自旋-轨道耦合形成的光学斯格明子结构。

广阔的应用前景

光学斯格明子的发现为微纳尺度的光场调控提供了全新的思路。研究发现，在这种光学斯格明子内部，其偏振态呈现剧烈的变化。对于可见光波段的近场光学旋涡光场，其偏振的精细结构半高宽可以达到10nm以下（<λ/60），远远突破光学的衍射极限（<λ/2）。

这种由光的自旋定义的光学超精细结构在亚纳米光学位移传感、光学超分辨显微成像、磁存储、量子技术等领域具有重大应用前景。

纳米光子学研究中心

深圳大学纳米光子学研究中心由袁小聪教授领导，创建于2013年，旨在打造一个包含微纳光学基础研究、功能器件制备、评价和应用的创新科研平台，致力于超分辨显微成像和超灵敏度传感、 轨道角动量光通信与光互联、光学微细加工和纳米光子及光电器件等方面的研究。研究团队目前拥有包括教育部长江学者、英国皇家工程学院院士、基金委优秀青年、教育部新世纪优秀人才、深圳市孔雀人才等在内的15余位优秀中青年教师，是一支极具创造力年轻且富有经验的科研团队。目前承担各类项目30余项，包括国家基金委重大科研仪器研制项目、集成项目、重大项目课题，国家973项目课题，国家基金委重点项目，国家基金委优秀青年项目，广东省自然科学基金团队项目、深圳市孔雀团队项目等。

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杜路平教授

杜路平教授是深圳大学纳米光子学研究中心特聘教授，博士生导师。国家基金委优秀青年基金获得者（2016年），广东省“特支计划”青年拔尖人才，深圳市海外高层次孔雀计划人才。中国科学技术大学物理系本科（2004-2008），新加坡南洋理工大学电子与电气工程学院博士（2008-2013）。长期从事纳米光子学及其光子技术研究，发表SCI 期刊论文50 余篇，包括Nature Physics, Nature Communications、Light: Science & Applications、Physical Review Letters、Laser & Photonics Review 等纳米光学领域top期刊。目前主持/负责包括国家基金委重大项目课题在内的多项国家级与省市级项目。

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袁小聪教授

袁小聪教授是深圳大学纳米光子学研究中心主任，长江学者特聘教授，国务院学位委员会学科评议组成员，美国光学学会会士（FOSA），英国物理学会会士（FInstP），国际光学工程学会会士（FSPIE）。入选广东“珠江人才计划”第五批领军人才。

天津大学精密仪器工程系光学仪器本科及硕士学位（1985，1988），英国伦敦大学国王学院（King's College）物理学博士学位（1994），剑桥大学卡文迪许实验室（Cavendish Laboratory）博士后（1994-1999），1999-2008在新加坡南洋理工大学微电子系任教（获终身教职），2008-2013在南开大学现代光学研究所任特聘教授，2013至今在深圳大学任特聘教授。在奇点光学、光学旋涡、新型光束与表面等离激元调控及其在光学操纵、高灵敏传感、超分辨显微成像、新型表面增强拉曼光谱的应用等方面发表SCI论文250余篇，包括Science、Science Advances、Nature Physics、Nature Communications等。现任《Advanced Photonics》共主编。

研究成果链接：

https://www.nature.com/articles/s41567-019-0487-7 

该研究得到国家自然科学基金重大项目（项目号：61490712）、重大仪器项目（项目号：61427819），优秀青年基金项目（项目号：61622504）， 973项目（项目号：2015CB352004），广东省自然科学基金项目、领军人才项目、特支计划，深圳市孔雀团队项目等资助。

排版丨陈梦婷

内容来自公众号“深圳大学”

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