Nature Commun：光的类粒子拓扑现象

纳米

2021-11-25

三维拓扑态能够代表真实存在于物理空间的微粒状物体，在各种拓扑结构中，3D斯格明子（skyrmion）和霍普夫子（hopfion）的结构是最丰富的。能够通过从实空间向4D超球体或者2D球进行同伦映射(homotopic maps)，实现得到整数拓扑数的组态，因此其受到非常广泛的关注，而且在粒子物理学、宇宙学、超流体等大量领域表现了非常奇异的性质。

有鉴于此，伯明翰大学Mark R. Dennis等报道实验构建并且测试了全结构光中的拓扑3D斯格明子（skyrmion）和霍普夫子（hopfion）。

本文要点：

（1）

通过同时调控极性和相位，通过对传播空间内各种可能的光学状态，建立了斯格明子（skyrmion）分布图，得到的光场斯托克斯参数与相位结果以霍普夫纤维化（Hopf fibration）形式呈现。

（2）

通过对成像进行重建，测试得到量子化的拓扑电荷（Skyrme量子数）为0.945。这种拓扑态调控策略为3D光学数据编码和计量提供了一种新方法。

光学超球的Hopf特征为拓扑光学提供了一种新颖的理解角度，为通过实验获得除了光子之外的其他3D微粒拓扑结构提供机会，可能应用的领域涵盖了凝聚态物理以及高能物理。

参考文献

Sugic, D., Droop, R., Otte, E. et al. Particle-like topologies in light. Nat Commun 12, 6785 (2021).

Doi: 10.1038/s41467-021-26171-5

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26171-5