光子hopfions：形状像烟圈，行为像粒子的光

光可以被塑造成类似于扭曲的烟圈的结构。资料来源：Y. Shen和Z. Zhu。

我们在日常生活中经常可以发现一个局部的波结构，在传播时保持其形状--想象一下在空中飞行的烟圈。类似的稳定结构在各个研究领域都有研究，在磁体、核系统和粒子物理学中都可以找到。与烟圈不同的是，它们可以对扰动产生弹性。这在数学和物理学中被称为拓扑保护。

一个典型的例子是磁性薄膜中磁场的纳米级飓风状纹理，表现为粒子--即不改变其形状--被称为skyrmions。三维空间中类似的圆环形（或环形）图案，将波的各种属性的复杂空间分布可视化，被称为hopfions。用光波实现这样的结构是非常难以实现的。

最近对结构光的研究揭示了偏振、相位和振幅的强烈空间变化，这使得人们能够理解--并为设计表现得像粒子一样的拓扑稳定的光学结构提供了机会。这种具有控制多样化拓扑特性的光的准粒子可能有很大的潜力，例如作为下一代信息载体用于超大容量的光信息传输，以及用于量子技术。

正如《先进光子学》杂志所报道的那样，来自英国和中国的合作物理学家最近展示了具有设计的拓扑学稳定特性的三维偏振模式的产生，这也是第一次可以在自由空间中进行可控的转换和传播。

(a) 表示自旋的参数空间球体：参数2-球体的经度和纬度(α和β)由色调颜色及其亮度表示(南极暗，自旋下降；北极亮，自旋上升)。参数2-球体上的每个点都对应于位于三维欧几里得空间中的一条封闭的等自旋线。(b) 从超球上同一纬度β和不同经度α的选定点投射的线（用相应色调颜色的实心点突出），形成覆盖一个环形的环形结（不同的环形结对应不同的β）。(c) 霍普夫天平的实空间可视化为来自超球的全立体映射：环形结排列在一组同轴嵌套的环上，每个环对应于一个参数2球的不同纬度β。黑圈对应于南极（自旋向下），嵌套环的轴对应于（a）中的北极（自旋向上）。(d）hopfion中的三维自旋分布，对应于（c）中的等位素轮廓，每个自旋矢量由（a）中参数球的α和β参数着色，如插图所示。(e, f) (d)中自旋分布的截面图：(e) xy (z = 0)和(f) yz (x = 0)截面图显示了类似天体的结构，灰色箭头标志着天体的涡度。颜色比例与（d）中自旋方向对应的比例相同。资料来源：Shen等人，doi 10.1117/1.AP.5.1.015001

作为这一洞察力的结果，我们提供了几个重要的进展和新的视角。"我们报告了一个新的、非常不寻常的三维拓扑孤子的结构光家族，即光子hopfions，其中的拓扑纹理和拓扑数字可以自由和独立地调整，远远超出了以前描述的最低阶的固定拓扑纹理，"论文的主要作者，英国南安普顿大学的沈一杰说。

"我们的结果说明了光结构的巨大魅力。我们希望它们将激发进一步的调查，以实现拓扑保护的光结构在光通信、量子技术、光-物质相互作用、超分辨率显微镜和计量学中的潜在应用，"伦敦大学国王学院教授和项目负责人Anatoly Zayats说。

这项工作提供了一个理论背景，描述了该系列hopfions的出现及其实验生成和特征，揭示了拓扑保护的偏振纹理的丰富结构。与之前观察到的在固态材料中定位的hopfion不同，这项工作表明，反其道而行之，光学hopfion可以在自由空间传播，并对偏振分布进行拓扑保护。

所展示的光子hopfions在传播时的强大拓扑结构在应用中经常被寻求。

这个新开发的光子拓扑跳子模型可以很容易地扩展到其他物理学分支的高阶拓扑结构上。在其他物理学界，从高能物理到磁性材料，高阶跳子的观察仍然是一个巨大的挑战。这项工作提出的光学方法可能会使人们对其他物理学分支的这一复杂结构领域有更深入的了解。

更多信息。Yijie Shen等，光子hopfions的拓扑变换和自由空间传输，Advanced Photonics (2023)。doi: 10.1117/1.ap.5.1.015001

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