eLight | 微纳球晶发射彩色斯格明子

本文由论文作者团队撰稿

光学斯格明子，是光场（如偏振、自旋等）在空间中以特定拓扑纹理分布的状态，因其具有类似粒子的稳定性和抗干扰能力，在信息存储、传输和量子计算中的发展前景广阔。近年来，尽管研究人员已能在经典和量子领域有效生成和调控斯格明子，但已报道的结果局限于单色或窄带工作。当前的主流方案是依赖于精细的微纳结构（如超构表面、微腔谐振器等）来构筑所需的拓扑图景。这些结构通常利用了谐振型光学系统，具有强烈的光谱色散，难以在宽光谱范围内工作。另一方面，这些复杂的微纳结构依赖于成本高昂的微纳米加工技术。因此，同时打破带宽限制和纳米加工约束，是斯格明子技术进一步发展的重要课题，亟需一种产生光斯格明子的新方案。

本工作提出并验证了一种基于铁电球晶的集成化宽波段可见光斯格明子生成新方案（图1），成功解决了宽带生成的难题。其核心亮点如下：

图1：斯格明子生成原理与拓扑纹理。(a)铁电球晶结构及其产生斯格明子机制图。(b)斯托克斯斯格明子拓扑纹理

研究团队放弃了传统的人工微纳设计，转而利用铁电球晶——一种通过结晶自组装形成的天然微米尺度穹顶型结构。该球晶具有内在的光学旋转各向异性，能够同时实现光自旋-轨道耦合和光学聚焦。当圆偏振光入射时，球晶边缘区域贡献聚焦功能，中心区域能将入射光的自旋翻转并加载轨道角动量，最终在焦点处叠加，形成具有斯格明子拓扑结构的光束。这种机制规避了人工纳米结构的谐振效应。实验表明，单个球晶能在整个可见光谱范围内稳定生成高品质的斯格明子，实现了“覆盖全可见光范围的彩色斯格明子”（图2）。

图2：宽带特性与实验验证。(a)铁电球晶模型。(b)450-785 nm波长范围内特定尺寸球晶产生的斯格明子及其斯格明子数|Nsk|。(c)实验测得单个球晶产生的宽带斯格明子特征。(d)-(e)450 nm、750 nm入射光产生的斯格明子拓扑纹理特征分析

生成的彩色斯格明子不仅在光场横截面上表现出稳定的偏振纹理，在自由空间传播中也展现出优异的拓扑鲁棒性。实验测量表明，斯格明子在传播7个瑞利长度后，其拓扑特性（斯格明子数|Nsk| > 1.9）依然保持完好（图3）。理论分析指出，其拓扑特征甚至可以在无限远距离上维持。这种抗衍射的拓扑稳定性，是其在长距离光通信和光学操控中应用的重要基础。

图3：斯格明子的传播过程拓扑稳定性分析

通过改变入射光束的偏振态，该平台能够实现多种光学拓扑准粒子的动态切换（图4）。当入射光为圆偏振时，产生标准的斯格明子（Skyrmions）；当入射光为线偏振时，可产生四半子（Quadrumerons）；当入射光为椭圆偏振时，则产生双斯格明子（Biskyrmions）。这种仅通过调控输入偏振即可灵活切换输出拓扑的能力，为可重构的光信息处理提供了强大工具。

图4：(a)不同入射偏振在庞加莱球上的位置及其产生的斯托克斯纹理；(b)实验观测的光学拓扑准粒子

得益于铁电球晶的涡旋畴结构及其天然的二阶非线性光学响应，研究团队还在该球晶中观测到了自发参量下转换（SPDC）过程，成功产生了关联光子对（图5）。这预示着该平台不仅能在经典领域生成宽带拓扑光场，未来更有望在量子层面产生纠缠的拓扑光子态（量子斯格明子），为拓扑量子光学研究提供了一个极具前景的集成化平台。

图5：铁电球晶的SPDC与SHG分析。(a)SPDC实验装置与样品示意图。(b)不同泵浦功率下测得的归一化二阶关联函数。(c)光子对符合计数率对泵浦功率的依赖关系。(d)零延迟时间下归一化二阶关联函数对泵浦功率的依赖关系。(e)二次谐波强度与泵浦功率的关系

这项研究展示了一种从底层设计和材料实现上的新范式。它从依赖复杂、自上而下纳米加工的人工结构，转向利用高效、自下而上自组装过程来构造功能光子器件。基于铁电球晶的平台，利用光自旋轨道耦合与聚焦效应的协同，从根本上克服了谐振光学系统的带宽限制，实现了从单色到全彩色的跨越，为斯格明子在波分复用、模分复用等高容量光通信技术中的应用铺平了道路。未来，通过阵列化集成多个球晶，有望在空间和时间维度上实现更高阶的斯格明子阵列。该平台将高性能、多功能与集成化潜力融为一体，有望推动下一代信息技术，特别是在高维经典/量子通信、片上光学操控和拓扑量子光源等领域的发展。

Liu, Y., Zhu, L., Xie, X. et al. Broadband coloured skyrmions generated by on-chip ferroelectric spherulites. eLight  6, 18 (2026). 

https://doi.org/10.1186/s43593-026-00132-1