新加坡南洋理工大学的科学家发现了一种出人意料的简单方法，利用一种已有200年历史、被称为泊松亮斑的光学效应，创造出被称为光学斯格明子的奇异光结构。他们无需依赖昂贵且高度工程化的材料，只需用激光照射微小的圆盘，即可产生稳定的旋涡状光图案。研究人员认为，这种结构有朝一日或可用于驱动先进的数据存储、通信及计算技术。
光学斯格明子是在光的特性中形成的微小、稳定的旋涡状图案。其结构常被比作刺猬的棘刺。由于它们具有编码和存储信息的潜力，研究人员将其视为未来数据存储、通信和计算技术极具前景的基础构件。
传统上，产生光学斯格明子通常需要昂贵且高度工程化的超材料，而南洋理工大学（NTU）团队仅需将激光照射在一个小圆盘上即可生成斯格明子。这种方法提供了一种远为简便的途径来产生、研究和控制这些复杂的光结构。
这项发表在《Optica》期刊上的研究成果由南洋理工大学物理与数学科学学院和电气与电子工程学院的南洋助理教授沈毅杰（Shen Yijie）领导完成。
“令人瞩目的是，现在可以利用光线绕射物体这一简单效应来产生光学斯格明子，而无需依赖昂贵、复杂的人造超材料或高度专业化的技术，”沈助理教授解释道。
“这将使研究人员更容易接触并利用光学斯格明子。通过降低创建和研究它们的技术门槛，该方法为科学家研究如何将其用于未来的光学、材料和计算研究开辟了新的可能性。”
经典光学现象找到新用途
这一突破基于泊松亮斑，这是一种众所周知的光学现象，当圆盘物体被激光等相干光源照射时，其投射的阴影中心会出现一个亮点。
泊松亮斑在19世纪初关于光本质的争论中发挥了重要作用。当时，科学家们争论光究竟是仅以粒子形式沿直线传播，还是表现得像波一样能够弯曲和扩散。
波动理论预测，在圆盘阴影的中心应该出现一个亮点，而按常理那里本该是一片黑暗。观测到的泊松亮斑提供了令人信服的证据，证明光会发生衍射，这意味着光在绕过物体或穿过小孔时会弯曲和扩散。
同时产生四种类型的光学斯格明子
研究人员还发现，他们的泊松亮斑装置能自然地同时产生多达四种相关的拓扑场图案。
其中包括自旋斯格明子、斯托克斯斯格明子、电场斯格明子和磁场斯格明子。自旋是指光的类旋转特性，而斯托克斯参数则描述了偏振，即光波传播时的振动方向。
同时产生这四种类型，为科学家提供了一个独特的机会，可以在同一光场中比较不同光学斯格明子的形成、演化及相互作用方式。
计算机模拟将这些结构显示为旋涡状的箭头阵列，展示了光的不同特性在泊松亮斑上如何改变方向。
控制复杂光场的更简便方法
光具有许多研究人员可以操控的特性，包括强度、相位、偏振、自旋以及其电场和磁场矢量。
这些特性可以排列成拓扑结构，即即便在拉伸或变形时仍能保持稳定的图案。通过调节塑造光场的条件，科学家或许能够精确控制光学斯格明子的大小、形状和行为。
沈助理教授表示：“在我们产生的光斑中，多种类型的光学矢量可以同时形成拓扑结构。这些不同的光分量紧密相连，但它们并不一定形成完全相同的拓扑图案。”
“能够在一个系统中产生并比较多种斯格明子，有助于研究人员揭示光的电学、磁学及其他物理特性之间的新联系。”
在计算和光子学中的潜在应用
斯格明子最初是在粒子和核物理领域提出的，后来成为凝聚态物理和磁性材料研究的重要领域。近年来，科学家开始将光学斯格明子作为存在于光场中的稳定类粒子结构进行研究。
早期产生光学斯格明子的方法依赖于超材料，这是一种人工设计的微观结构，旨在以传统材料无法实现的方式操控光。
通过用简单得多的光学装置取代那些复杂的系统，南洋理工大学团队的工作使光学斯格明子的研究变得更加触手可及。这些发现也为未来的拓扑光研究奠定了基础，并可能推动光子学、先进材料、信息处理和下一代计算领域的进步。