中国科大在拓扑光场研究方面取得重要进展

近日，中国科学技术大学物理学院席铮特任教授团队在拓扑光场研究方面取得重要进展。研究团队揭示并验证，在一般聚焦光场中，无需外加结构光设计，即可自发形成一种半斯格明子式光学自旋纹理。该自旋纹理在退相干、退偏振以及空间无序等噪声扰动下仍表现出显著鲁棒性，为抗扰动拓扑光场的生成与应用提供了新路径。相关成果以“Intrinsic Meron Spin Textures in Generic Focused Fields”为题，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

拓扑纹理因其独特的拓扑保护特性，在多种物理体系备受关注。近年来，光学领域已实现多类拓扑自旋纹理，但大多依赖精细设计的结构光场和复杂调控条件。这与磁性体系中拓扑激发常可由内禀相互作用自然产生形成鲜明对比，也提出了一个关键问题：在光学系统中，是否也存在一种无需外部精密工程、能够自然涌现的内禀拓扑纹理。

针对这一问题，研究团队发现，聚焦过程本身即可自发产生半子自旋纹理。与依赖外加结构光的方案不同，这一内禀结构生成更简单、抗干扰能力更强，即使在入射光偏振、幅度、相位存在强随机扰动的条件下，仍可稳定存在。研究进一步揭示，该结构鲁棒性来源于焦场中天然存在的相位涡旋所带来的拓扑保护，扰动通常只会引起涡旋位置连续漂移，而难以破坏纹理的关键拓扑特征。

该工作表明，在光学中并非只能通过精细“雕刻”光场来获得拓扑纹理，聚焦这一常见光学过程本身就蕴含着可自发生成的稳定拓扑自旋结构。这一发现为在噪声与无序环境下生成和操控拓扑光场提供了新途径，也为抗扰动拓扑光子学和光子信息处理提供了新的研究思路。

中国科学技术大学物理学院博士生刘迪为该论文第一作者，共同作者还有博士生刘韩。席铮特任教授为该论文通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队等项目支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/t558-4gfd