中国光学十大进展·特邀综述·封面文章 | 光学斯格明子，光场调控新领域

该综述文章系统、全面、详实地介绍了不同光学系统中光学斯格明子的产生机理、激发与调控方式、检测手段以及相关的应用研究，并对未来前景与挑战进行了展望。文章作者团队自2019年发现光学斯格明子以来，在该结构光场调控领域开展了大量工作，在国内外形成了光学斯格明子的研究热点，该综述可为相关研究人员提供一份详实可靠的研究指南，帮助思考新型拓扑准粒子的物理机制和应用拓展。值得注意的是，该团队近日在光学领域权威期刊Nature Photonics也发表了题为 “Optical skyrmions and other topological quasiparticles of light”的综述文章，与本文内容形成有效的互补。

 

詹其文

上海理工大学

编者按：

 

光学斯格明子作为一种非平庸的拓扑结构，在光学超分辨显微成像、高密度光信息存储、高精度位移传感等领域具有潜在的应用价值。

深圳大学袁小聪教授、杜路平教授团队于2019年在国际上首次揭示了由光的自旋-轨道耦合产生的光学斯格明子，相关成果入选2019中国光学十大进展。近期，团队通过研究旋转对称性破缺下的光学自旋-轨道耦合，发现并论证了光学自旋拓扑态与对称性的紧密联系，揭示了自旋拓扑光子学新物理，相关成果获 2022 中国光学十大进展提名奖。

封面解读

 

本封面展现了光学斯格明子的特点：尺寸小，受拓扑保护，自旋矢量在精细结构内呈现剧烈变化，有望在未来的光学芯片中成为高密度的信息载体。

 

文章链接：林旻, 杜路平, 袁小聪. 中国光学十大进展：光学斯格明子研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(24): 2400001.

1.

 

 背景介绍  

 

斯格明子(skyrmion)最初是由英国粒子物理学家托尼·斯格明在研究统一场理论时提出的拓扑孤子解，后来被广泛应用到凝聚态物理中。磁斯格明子作为一种由电子自旋-轨道耦合相互作用形成的具有微纳米尺度的电子自旋涡旋结构，由于受到拓扑保护，被广泛认为是下一代高速、高密度、低能耗磁存储器件的基本单元。作为另一种信息载体，光也具有自旋角动量和轨道角动量。近年来，各种类型的斯格明子在不同的光学体系中被发现，其研究已发展成为结构光场调控领域的重要分支。

2.

 

斯格明子的不同形态

 

斯格明子具备各种不同的形态，为方便分析，可将局限在二维平面上的斯格明子矢量分布映射到单位球体上，如图1 (a) (b) 所示。根据映射方式的不同，大致可归类为如图1 (c) 所示的四大类：斯格明子、嵌套斯格明子、双半子、嵌套双半子，而其中每一类又可再归类为Néel型、Bloch型和反型，其矢量分布特性由极性p、涡度m和初始相位γ共同决定。

图1 斯格明子的不同形态。(a) 斯格明子的映射示意图; (b) 双半子的映射示意图; (c) 归类为斯格明子、嵌套斯格明子、双半子、嵌套双半子的拓扑结构，其中每一类又可再分为Néel型、Bloch型和反型

3.

 

光学自旋/电场矢量的斯格明子  

 

在光学近场条件下，光的自旋-轨道耦合会形成一种与磁斯格明子相同的光学自旋分布。对于倏逝波条件下的光学旋涡光场，其自旋矢量分布呈现Néel型的斯格明子，如图2 (a) 所示^[1]。对于可见光波段的近场光学旋涡光场，其自旋精细结构半高宽可以达到10nm以下(<λ/60)，如图2 (b) 所示，远远突破光学的衍射极限。这为微纳尺度的光场调控提供了全新的思路，在亚纳米光学位移传感、光学超分辨显微成像等领域具有重大应用前景。

图2 倏逝场光学旋涡中的光学自旋斯格明子。(a) 倏逝场光学旋涡强度分布（底部）及旋涡中心的光学自旋矢量分布（顶部）; (b) 沿着径向方向的能流截面（底部）及自旋矢量分布（顶部）

单个倏逝场光学旋涡可以形成单个光学自旋斯格明子，而如果对这样的光学旋涡引入六重或四重旋转对称性破缺，将分别形成光学自旋斯格明子和半子阵列^[2]。在自旋-轨道耦合作用缺失的情况下，即光学旋涡的角动量L=0时，由自旋矢量构成的斯格明子/半子阵列退化为由电场矢量构成的斯格明子/半子阵列^[3]。

在实验过程中，可以采用近场扫描技术对光学自旋斯格明子进行表征。基于介质颗粒-金属膜结构的近场扫描系统实验结果如图3所示^[1]。总角动量L=±1的圆偏旋涡光激发了斯格明子数n=±1的光学自旋斯格明子，而L=0的径向偏振光由于没有携带角动量信息无法激发光学自旋斯格明子。这表明该系统满足角动量守恒定律。

图3 倏逝场光学旋涡中的光学自旋测量，图3(g)中的比例尺为λ/2。(a) (b) L=1时纳米颗粒散射光的右旋和左旋分量分布; (c) 对应的自旋结构; (d)~(f) L=0 时的相应结果; (g)~(i) L=−1 时的相应结果

除了在空间上的精细结构分布，光学斯格明子在时间尺度上的动力学特性也备受关注。利用光发射电子显微镜(PEEM)可对该自旋结构的电场进行高时空分辨率成像^[4,5]。

4.

 

Stokes矢量的光学斯格明子 

 

描述光偏振状态的Stokes参量也可以构造斯格明子。对于光学自旋或电场矢量构成的斯格明子，它与电场的纵向和横向分量的幅度和相位都是相关联的，而对于Stokes参量构成的斯格明子，它只和电场横向分量相关，因此其调控会更加灵活，且可以在自由空间中存在。在实验中，利用带有空间光调制器的干涉光路可以在传播空间中产生各种形态的斯格明子^[6] (图4(b))、三维的光学斯格明子类粒子^[7] (图4(c))、以及斯格明子的保形频率变换^[8](图4(d))。

图4 基于Stokes参量的光学斯格明子。(a) 庞加莱球中归一化的Stokes参量; (b) 将不同拓扑纹理的变换映射到三维类庞加莱球; (c) 三维的光学斯格明子类粒子; (d) 光学斯格明子的保形频率变换

5.

 

动量空间中的赝自旋斯格明子  

 

对于光子晶体，其哈密顿量可以通过紧束缚模型求得。在能带中的狄拉克点附近，哈密顿量可进一步化简为与赝自旋矢量相关的表达式。通过调控光子晶体结构参数可以操纵拓扑非平庸态和光学斯格明子的出现。相关研究结果^[9,10]如图5所示，在实现局域贝利曲率的可视化、电磁波单向传输和偏振调控等方面具有潜在的应用价值。

图5 动量空间中的赝自旋纹理分布。(a) 具有蜂窝晶格圆洞的光子晶体平板; (b) 狄拉克点附近的能带结构; (c) K和K’点附近的赝自旋半子纹理; (d) 具有Kagome和蜂窝晶格柱子的光子晶体; (e) 狄拉克点附近的赝自旋斯格明子纹理

6.

 

 应用前景 

 

对于斯格明子而言，实现其位置形态等因素的操控是实现斯格明子器件的前提。利用空间光调制器提供的相位图可以实现高精确度、高灵活度、高保真度的光学斯格明子位移操纵^[11]。

光学斯格明子的自旋精细结构还可以应用于超高精度位移传感，如图6(a)所示^[12]，将具有相反斯格明子数的自旋斯格明子在空间上不断靠近，所形成斯格明子对在一维方向具有剧烈偏振变化的区域，通过进一步优化可使得该区域同时保持较好的线性度和较高的光场强度，利用该方法所获得的理论传感精度可达皮米量级。

此外，结合光学斯格明子与磁性材料^[13] (图6(b))、手性材料^[14] (图6(c))、双曲超材料^[15] (图6(d))等材料，其检测范围与精度还可以得到进一步拓展与提升。

图6 光学斯格明子与不同材料的相互作用。(a) 具有相反符号拓扑荷的斯格明子对示意图及其传感曲线；(b) 钴薄膜表面光学斯格明子激发示意图；(c) 耦合表面等离激元产生的相反横向自旋及其计算得到的自旋纹理； (d) 介质-金属多层周期结构示意图及在z=λ平面形成的斯格明子纹理

7.

 

总结与展望 

 

光学斯格明子自2018年首次被报道以来，经过近5年的发展，已构建和衍生出了包括光学自旋角动量矢量、电场/磁场矢量、斯托克斯矢量、赝自旋矢量、声子矢量等各类光学斯格明子结构，目前已成为结构光场调控领域的一个重要的研究内容。斯格明子具有各种不同的形态，在凝聚态体系中存在的多种形态仅部分类型在光学体系中被发现，其余类型还有待探索。在光学斯格明子的拓扑操纵方面，其操纵的对象还比较有限。而在超高精度检测方面，对其他材料引入的研究多数还停留在理论计算阶段。展望未来，光学斯格明子在物理机制和应用拓展等方面的研究还具有很大的创新空间。

参考文献：

 

向上滑动阅览

 

[1]  Du L, Yang A, Zayats A V, et al. Deep-subwavelength features of photonic skyrmions in a confined electromagnetic field with orbital angular momentum[J]. Nature Physics, 2019, 15(7): 650-654. 

[2] Lei X, Yang A, Shi P, et al. Photonic Spin Lattices: Symmetry Constraints for Skyrmion and Meron Topologies[J]. Physical Review Letters, 2021, 127(23): 237403.

[3] Tsesses S, Ostrovsky E, Cohen K, et al. Optical skyrmion lattice in evanescent electromagnetic fields[J]. Science, 2018, 361(6406): 993-996.

[4] Dai Y, Zhou Z, Ghosh A, et al. Plasmonic topological quasiparticle on the nanometre and femtosecond scales[J]. Nature, 2020, 588(7839): 616-619.

[5] Davis T J, Janoschka D, Dreher P, et al. Ultrafast vector imaging of plasmonic skyrmion dynamics with deep subwavelength resolution[J]. Science, 2020, 368(6489): eaba6415.

[6] Shen Y. Topological bimeronic beams[J]. Optics Letters, 2021, 46(15): 3737-3740.

[7] Sugic D, Droop R, Otte E, et al. Particle-like topologies in light[J]. Nature Communications, 2021, 12(1): 6785.

[8] Wu H-J, Yu B-S, Zhu Z-H, et al. Conformal frequency conversion for arbitrary vectorial structured light[J]. Optica, 2022, 9(2): 187-196.

[9] Guo C, Xiao M, Guo Y, et al. Meron Spin Textures in Momentum Space[J]. Physical Review Letters, 2020, 124(10): 106103.

[10] Lin M, Du L, Yuan X. Photonic Pseudospin Skyrmion in Momentum Space[J]. IEEE Photonics Journal, 2023, 15(1): 1-6.

[11] Lin M, Zhang W, Liu C, et al. Photonic Spin Skyrmion with Dynamic Position Control[J]. ACS Photonics, 2021, 8(9): 2567-2572. 

[12] Yang A, Lei X, Shi P, et al. Spin-Manipulated Photonic Skyrmion-Pair for Pico-Metric Displacement Sensing[J]. Advanced Science, 2023, 10(12): 2205249.

[13] Lei X, Du L, Yuan X, et al. Optical spin–orbit coupling in the presence of magnetization: photonic skyrmion interaction with magnetic domains[J]. Nanophotonics, 2021, 10(14): 3667-3675.

[14] Zhang Q, Xie Z, Du L, et al. Bloch-type photonic skyrmions in optical chiral multilayers[J]. Physical Review Research, 2021, 3(2): 023109.

[15]  Gan S, Shi P, Yang A, et al. Deep-Subwavelength Optical Spin Textures in Volume Plasmon Polaritons with Hyperbolic Metamaterials[J]. Advanced Optical Materials, 2023, 11(4): 2201986.

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5.Lei X, Yang A, Shi P, et al. Photonic Spin Lattices: Symmetry Constraints for Skyrmion and Meron Topologies [J]. Physical Review Letters, 2021, 127(23): 237403.

6.Shen Y, Zhang Q, Shi P, et al. Optical skyrmions and other topological quasiparticles of light[J]. Nat. Photon. 18, 15–25 (2024).

作者介绍

 

 

林旻，深圳大学纳米光子学研究中心副研究员，2019年博士毕业于香港中文大学物理系。研究方向为近场光学自旋角动量的调控与表征，主持项目包括国家自然科学基金青年项目和广东省自然科学基金面上项目，在ACS Photonics，Optics Express等国际期刊发表多篇SCI论文。

 

杜路平，深圳大学纳米光子学研究中心特聘教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，入选广东省“特支计划”青年拔尖人才，深圳市首届杰出青年人才，深圳市孔雀计划人才。获教育部自然科学奖二等奖，2019年中国光学十大进展等。在光学超材料、光学超分辨成像与传感、自旋光子学等前沿领域取得多项创新性研究成果，发表SCI期刊论文100余篇，包括Nature Physics、Nature Communications、Science Advances、PNAS、Physical Review Letters等。主持项目包括国家基金委重大项目课题、面上项目、青年基金等。

 

袁小聪，深圳大学讲席教授，教育部长江学者特聘教授，国务院学位委员会学科评议组成员，入选广东“珠江人才计划”领军人才，深圳市国家级领军人才，Elsevier中国高被引学者，中国光学学会会士、美国光学学会会士、英国物理学会会士、国际光学工程学会会士。在新型光场调控、光学表面波传感显微成像、新型光通信器件等前沿领域开展了大量工作，发表SCI 论文500余篇，包括Science、Nature Physics、Nature Photonics、Nature Communications、Science Advances、PNAS、Physical Review Letters等。现任Advanced Photonics和Advanced Photonics Nexus共主编。