前沿进展 | 光学拓扑半子阵列的亚稳定性

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

光学自旋拓扑结构如光学斯格明子(Skyrmion)、半子(Meron)的发现开辟了结构光场调控领域的新方向，是纳米光子学领域的研究热点。近日，上海理工大学詹其文教授领导的纳米光子学团队与深圳大学袁小聪教授、杜路平教授领导的纳米光子学研究中心在光学自旋拓扑调控领域取得了新进展。他们通过研究四重旋转对称性破缺下的光学自旋轨道耦合，展示了光学拓扑半子阵列的亚稳定性，为光学体系下的自旋拓扑特性研究提供了新思路。研究结果以“Metastability of photonic spin meron lattices in the presence of perturbed spin-orbit coupling”为题、于2023年1月9日发表于Optics Express。2023 | 前沿进展

02 研究背景

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斯格明子是一种具有拓扑特性的准粒子，存在于玻色爱因斯坦凝聚、手性磁铁等多种物理体系。近期的研究表明，在光学领域同样存在具有拓扑特性的斯格明子结构，可以由近场自旋轨道耦合、表面波多光束干涉等方式产生。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，其拓扑特性依赖于外部激发电磁场，当电磁场受到微扰的时候，其拓扑稳定性还有待进一步研究。

03 研究创新点

四重旋转对称下的自旋轨道耦合中可以形成光学半子阵列，该团队在其中引入扰动，根据近场电磁波的内秉能流-自旋定律，赫兹势与扰动之间的相互作用决定了自旋拓扑态的调控。 

通过理论分析，研究团队发现，对于振幅扰动，能流涡旋与光学半子的中心将产生偏移，而边界维持不变(图1a-b)；而相位扰动将光学半子的边界将由方形转变为不规则四边形，其自旋中心在四边形的结构中心(图1c-d)，同时由于拓扑保护，每个阵列单元的斯格明子数维持在0.5左右，展示了光学半子的亚稳定性。

图1 振幅及相位扰动下的自旋半子阵列

同时，研究人员利用光阑调制的涡旋光与金属薄膜的相互作用产生表面等离激元涡旋场，模拟了光学半子的产生，并通过改变光阑的开口大小与方向，分别验证了振幅与相位扰动下半子阵列的拓扑保护(图2)。

图2 通过调制光阑实现振幅及相位扰动下的自旋轨道耦合

04 总结与展望

该研究工作首次揭示了光学体系下拓扑半子阵列的亚稳定性，展示了自旋结构光场的新物理，为纳米尺度下的光场调控及光学体系下的自旋拓扑特性研究提供了新思路，在亚纳米光学位移传感、光学超分辨显微成像、磁畴检测等领域具有潜在的应用前景。

论文链接：

https://doi.org/10.1364/OE.479282

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编辑 | 方紫璇

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