动量-能量空间中超快时空光学半子（meron）的拓扑光场调控与应用探索

本文针对三维光学斯格明子难以实现的问题，通过将半子偏振纹理刻蚀到超快光波包的动量-能量空间中的开放/闭合谱面上，首次演示了自由传播的三维局域光学斯格明子结构。研究结合空间光调制器、双折射超表面和共形坐标变换技术，实现了对光场时空偏振纹理的精确控制，为拓扑光子学、光学通信和量子技术提供了新范式。

　　

在凝聚态物理和下一代磁存储技术领域，拓扑非平庸的局域自旋结构——斯格明子（skyrmion）一直是研究热点。虽然磁学和光学系统已实现二维自旋纹理，但三维磁性斯格明子直到近年才取得突破，而其光学对应物却因需要精确控制时空频谱而长期未能实现。光学斯格明子的实现不仅有助于探索新兴物理现象，还能为高密度、低能耗信息存储和传输技术提供新方案。尽管三维斯格明子在手性铁磁体、玻色-爱因斯坦凝聚和铁电材料中已有初步实现，但光学系统的三维拓扑结构仍面临巨大挑战。

在此背景下，哈佛大学、中佛罗里达大学和斯坦福大学的研究团队在《Nature Communications》发表了题为"Ultrafast space-time optical merons in momentum-energy space"的研究论文，通过将半子（meron）偏振纹理刻蚀到超快光波包的动量-能量空间中的开放和闭合谱面上，首次实现了自由传播的三维局域光学斯格明子结构。

研究团队采用了一套创新的四阶段合成方案：首先通过啁啾体布拉格光栅（CBG）进行频谱分析，实现频谱的空间分辨；随后利用空间光调制器（SLM）进行二对一频谱变换，构建双分支谱面；再通过相位板实现对数极坐标变换，将线性调频转换为径向调频；最后利用面积达14×14 mm²的双折射介电超表面（包含约10⁹个纳米鳍结构）在径向展宽的频谱上施加目标斯托克斯矢量。实验使用中心波长800 nm、带宽10 nm的飞秒脉冲激光，通过时空分辨斯托克斯偏振测量技术对动量空间和物理空间的偏振纹理进行了全面表征。

理论框架：动量-能量空间中的时空半子

斯格明子由单位球面上的连续三维单位矢量场n(r)=(n_x,n_y,n_z)描述，其拓扑斯格明子数N量化了n(r)包裹单位球的次数。半子作为半斯格明子，其斯格明子数为N=±1/2，意味着n(r)仅覆盖单位球的一半。研究团队创新性地将动量-能量空间中的弯曲二维谱面S(k_x,k_y,ω)作为基空间，将半子纹理从参数空间映射到斯托克斯矢量上。

实验结果：开放与闭合谱面上的ST半子

研究团队成功实现了两种时空半子：基于开放表面双分支抛物面的ST半子和基于闭合表面陀螺形谱面的ST半子。动量空间斯托克斯偏振测量显示，两种结构的斯格明子数分别为N=0.41和N=0.42，接近理论值0.5。物理空间的时空分辨测量揭示了约6 ps时间宽度和60 μm横向空间宽度内的局域化偏振纹理演化。开放表面ST半子呈现典型的X形时空结构，而闭合表面ST半子则表现出更高的空间局域性。

技术突破：大型超表面与共形变换

研究团队设计并制备了破纪录尺寸的双折射介电超表面，包含约10⁹个单元细胞，每个单元面积为520×520 nm²，由800 nm高的TiO₂纳米鳍构成。通过相位检索类算法实现两个正交偏振分量所需的远场复振幅分布，从而精确控制每个单元细胞的参数。同时，采用模拟光刻工艺制作了大面积相位板（14×14 mm²），有效减小了对数极坐标变换在k_r=0处的奇异性区域。

讨论与展望：拓扑光学的全新范式

该研究实现了光学ST半子的合成，将偏振纹理刻蚀到脉冲光波包三维动量-能量空间中的开放和闭合二维时空谱面上，并观测到相应的三维时空偏振纹理。实验装置能够高效、可动态调谐地合成具有开放和闭合谱面的ST半子，这一能力通过非局域或周期性结构尚未实现。

研究为具有丰富纳米尺度拓扑结构的超快光子准粒子新类别铺平了道路，这些结构可在传感、显微术、安全信息传输和光物质相互作用中发挥作用。未来研究方向包括：通过对谱面两个分支的偏振纹理进行独立控制，产生半子之外的其他拓扑准粒子；通过推动动量-能量空间中光学共形映射的极限或利用斯格明子转换器件，实现更复杂的谱面；通过向ST半子的每个波长、子带或整个频谱添加轨道角动量（OAM），探索拓扑自旋-轨道耦合和新发现效应（如光学自扭矩和时变OAM）；将偏振纹理从光转移到物质，在材料系统中激发拓扑准粒子结构；研究ST半子在复杂介质中对外部扰动的拓扑弹性，这对于将光学三维ST拓扑准粒子用作光通信中的信息载体至关重要。

该研究不仅推动了偏振光学和拓扑光子学领域的发展，还有望启发成像、计量、光学通信和量子技术的新进展，为拓扑光场调控提供了全新的技术路径和理论框架。