Light | 时空拓扑缺陷中的光涡旋

本文由论文作者团队投稿

拓扑最早起源于数学上对几何结构的分类。近年来，拓扑的概念已经渗透到物理学领域的各个分支，从早期电子的拓扑绝缘体到现在的拓扑声学、拓扑光学、拓扑电路等。

类比于固体物理中各种拓扑缺陷，譬如点缺陷、位错、晶界、孔洞等，理论学家预言宇宙从大爆炸诞生、演化到现在，宇宙时空会经过一系列量子相变过程，这种相变会导致时空真空场的拓扑结构的改变从而产生各种拓扑缺陷。

其中一维时空拓扑缺陷就是宇宙弦。人们开始尝试寻找时空拓扑缺陷的存在证据，譬如早期宇宙中的宇宙弦产生的引力波。另一方面，基于近年来兴起的变换光学，人们将这些宇宙学现象应用到新颖光子器件的设计上，譬如类比黑洞光子微腔、引力透镜启发下的非衍射光束等。

(a) 狄拉克费米子在宇宙弦附近演化示意图；(b) 映射出变形石墨烯的二维点阵；(c) 飞秒激光直写的波导阵列；(d) 轨道角动量的光子在模拟宇宙弦的光子点阵中传播；(e) 无轨道角动量的光子在模拟宇宙弦的光子点阵中传播。

鉴于此，南京大学物理学院介电体超晶格实验室刘辉、祝世宁课题组的盛冲与上海交通大学物理与天文学院金贤敏课题组的王耀受一维时空拓扑缺陷宇宙弦启发下，利用飞秒激光直写技术制备了变形石墨烯的二维光学点阵，成功观测到束缚的光子涡旋。

相关研究成果以“Bound vortex light in an emulated topological defect in photonic lattices”为题在线发表于Light: Science & Applications。该工作得到固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心的支持，国家自然科学基金重大项目"光子态的时空演化与应用" (No.11690033)和科技部量子调控项目"人工微结构中新奇量子、类量子效应研究" (No.2017YFA0303702)的资助，在此表示感谢。

具体地，研究团队从具有规范场的宇宙弦时空下狄拉克方程出发，构建出等效哈密顿量。进一步，基于变换光学的思想，研究团队将这个等效的哈密顿量映射到二维变形石墨烯的光学点阵中，并借助于先进的飞秒激光直写工艺，在硼硅酸盐玻璃刻画出按需设计的该光学点阵。

研究发现，当激发缺陷附近的单根波导时，会产生束缚在缺陷附近的光子涡旋。更有意思的是，这种受宇宙弦启发的二维光学点阵可以对入射轨道角动量的光子进行很好的束缚；而对于不携带轨道角动量的光子将在该二维波导阵列进行扩散传播。

相较于以往变换光学光子器件的设计仅仅考虑引力场的模拟，在该研究工作中，同时将引力场和规范场引入到光子器件的设计中，丰富了变换光学设计光子器件的手段。同时，这种受宇宙弦规范场启发下的光子器件可以实现集成光子器件中轨道角动量的甄别，可能用于未来光信息技术中轨道角动量解复用技术。

| 论文信息 |

Sheng, C., Wang, Y., Chang, Y. et al. Bound vortex light in an emulated topological defect in photonic lattices. Light Sci Appl 11, 243 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00931-4

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