光子跳跃子：形状像烟圈的光表现得像粒子

在我们的日常生活中，我们经常会发现一个局部的波结构，这种结构在传播时保持其形状——想象一个在空中飞舞的烟圈。类似的稳定结构已经在各种研究领域进行了研究，可以在磁铁，核系统和粒子物理学中找到。与烟雾圈相反，它们可以对扰动具有弹性。这在数学和物理学中被称为拓扑保护。

一个典型的例子是磁性薄膜中磁场的纳米级飓风状纹理，表现为粒子 - 也就是说，不改变它们的形状 - 称为skyrmions。3D空间中类似的甜甜圈形(或环形)图案，可视化波的各种属性的复杂空间分布，称为跳跃。用光波实现这样的结构是非常难以捉摸的。

最近对结构光的研究揭示了偏振、相位和振幅的强烈空间变化，这使得理解并开辟了设计拓扑稳定的光学结构的机会，其行为类似于粒子。这种控制多样化拓扑性质的准光粒子可能具有巨大的潜力，例如作为超大容量光学信息传输的下一代信息载体，以及量子技术。

据Advanced Photonics报道，来自英国和中国的合作物理学家最近展示了在三维空间中具有设计拓扑稳定特性的极化图案的产生，这是第一次可以在自由空间中可控地转换和传播。

由于这种洞察力，提供了一些重大进展和新的观点。“我们报告了一种新的，非常不寻常的，结构光的3D拓扑孤子家族，光子跳跃子，其中拓扑纹理和拓扑数可以自由和独立地调整，远远超出先前描述的最低阶固定拓扑纹理，”该论文的第一作者，英国南安普敦大学的Yijie Shen说。

“我们的研究结果说明了光结构的巨大美感。我们希望它们能够激发对拓扑保护光配置在光通信，量子技术，光物质相互作用，超分辨率显微镜和计量学中的潜在应用进行进一步研究，“伦敦国王学院教授兼项目负责人Anatoly Zayats说。

本工作提供了描述该跳子家族的出现及其实验生成和表征的理论背景，揭示了拓扑保护极化织构的丰富结构。与以前对位于固态材料中的跳跃子的观察相反，这项工作表明，与直觉相反，光学跳跃子可以在偏振分布的拓扑保护下在自由空间中传播。

所展示的光子跳跃子在传播时的鲁棒拓扑结构在应用中经常被寻求。

这种新开发的光学拓扑跳跃模型可以很容易地扩展到物理学其他分支中的其他高阶拓扑结构。从高能物理学到磁性材料，高阶跳跃子仍然是其他物理学界观察到的巨大挑战。这项工作中提出的光学方法可能会对物理学其他分支中的这个复杂的结构领域提供更深入的理解。