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在光学通信等领域，光结（Optical Knots）于湍流环境中的稳定性备受关注却研究不足。杜克大学研究人员针对大气湍流对光结稳定性的影响展开研究，发现光结拓扑不变性在弱湍流可维持，强湍流则不然。这对光结在经典和量子通信等领域的应用意义重大。
在现代光学领域，光的奇妙特性不断被挖掘和探索。光结，作为一种特殊的光学结构，其在数学上的拓扑稳定性就像给它披上了一层神秘的 “铠甲”，意味着它在面对外界干扰时似乎有着天然的抵抗力，这一特性使其有望成为信息传输领域的 “潜力新星”，在经典和量子通信、微加工、量子计算等前沿科技中发挥关键作用。
然而，现实的物理世界充满挑战。在大气湍流这种复杂的环境里，光的传播会受到诸多因素的干扰，比如大气中随机的温度变化和对流过程，会让光的传播路径变得 “曲折离奇”，产生光束漂移、闪烁以及相位前失真等现象。而光结在这样的环境中会如何表现呢？这个问题此前却鲜有人深入研究。如果无法掌握光结在湍流中的稳定性，就难以将其真正应用到实际场景中，就像怀揣着一把绝世宝剑，却不知道它在实战中的性能一样。所以，研究大气湍流对光结稳定性的影响迫在眉睫。
为了解开这个谜团，来自杜克大学（Duke University）的 D. G. Pires、D. Tsvetkov 等研究人员踏上了探索之旅。他们通过理论分析和实验研究双管齐下，深入探究大气湍流对光结稳定性的影响。最终发现，光结的拓扑不变性在弱湍流环境下还能勉强维持，但一旦进入强湍流区域，就如同进入了 “危险地带”，拓扑不变性可能无法继续保持。这一发现意义非凡，它就像一把钥匙，为后续改进光结在复杂环境中的稳定性提供了思路，也为光结在各个领域的实际应用奠定了重要基础。该研究成果发表在《Nature Communications》上，引发了相关领域的广泛关注。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。实验方面，他们搭建了马赫 - 曾德尔干涉仪（Mach - Zehnder Interferometer），利用空间光调制器（SLM）编码光结场，并通过可控的热空气湍流腔模拟大气湍流环境，最后使用互补金属氧化物半导体（CMOS）相机进行测量。数值模拟方面，他们依据 Kolmogorov 功率谱计算随机相位屏，以此来模拟光在 270m 湍流通道中的传播过程。
研究人员首先对光结的系数进行了调整。他们借鉴前人的研究方法，开发了一种数值优化程序。通过调整拉盖尔 - 高斯（LG）模式的振幅权重，使光结在满足拓扑结构不变的前提下，尽量减少外界干扰带来的影响。例如，对于三叶结（trefoil knot），他们设定了一系列标准，像额外奇点要与光结保持一定距离，并且通过不断迭代调整 LG 模式的振幅，让光结在湍流中的表现更加稳定。
接着是光结稳定性的研究。研究人员让 300 个光结场通过不同强度的湍流，然后对其进行统计分析。他们发现，随着湍流强度的增加，光结失去交叉点的概率也在上升。原本的三叶结可能会变成霍普夫链环（Hopf link）甚至是无结（unknot）结构。这就好比在湍急的河流中，原本系好的绳子结被水流冲得散开、变形。而且，与携带轨道角动量（OAM）的光束类似，高阶光结在湍流作用下会向低阶光结转变，只不过这里不是拓扑电荷的减少，而是拓扑结构的变化。
在讨论部分，研究人员指出，尽管光结在弱湍流环境下相对稳定，但在强湍流中，还需要进一步优化和算法矫正来维持其形状。同时，基于交叉点数量对湍流中光结进行分类可能并不理想，或许需要寻找新的分类标准。这项研究不仅为光结在通信、计量和传感等领域的应用提供了理论依据，也为其他物理系统，如玻色 - 爱因斯坦凝聚体（Bose - Einstein condensates）、流体和量子光学等的研究提供了参考，打开了新的研究思路，让科研人员看到了光结在更多领域的应用潜力，推动了相关领域的进一步发展。
