自旋拓撲結(jié)構(gòu)，如電子體系中的磁斯格明子(magnetic skyrmion)，由于其良好的穩(wěn)定性及新奇的動力學(xué)特性，被認為是未來實現(xiàn)高速度，高密度，低能耗磁（自旋）存儲器件的基本單元，受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。與之對應(yīng)的是，光子也攜帶自旋信息并且擁有與電子類似的自旋拓撲特性。近年來，我校微納光電子學(xué)研究院納米光子學(xué)研究中心的杜路平教授、袁小聰教授在光子體系中的自旋拓撲結(jié)構(gòu)研究中取得了一系列創(chuàng)新性成果，研究工作相繼發(fā)表在《Nature Physics》、《PNAS》等國際頂級期刊，開辟了光學(xué)自旋拓撲結(jié)構(gòu)這一新興學(xué)科方向，并已逐漸成為當(dāng)下的一個重要研究熱點。

近日，由杜路平教授、袁小聰教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組在前期工作的基礎(chǔ)上進一步開展相關(guān)研究，在物理學(xué)頂級期刊 《Physical Review Letters》上發(fā)表了題為《Photonic spin lattices: Symmetry constraints for skyrmion and meron topologies》的研究論文。該論文深入探討了不同對稱性下的光學(xué)自旋-軌道耦合與自旋拓撲結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。深圳大學(xué)微納光電子學(xué)研究院納米光子學(xué)研究中心杜路平教授和袁小聰教授為論文的共同通訊作者，雷欣瑞博士與楊愛萍副研究員為共同第一作者，深圳大學(xué)是第一單位和第一通信單位。

在凝聚態(tài)體系中，晶體各向異性能和相鄰自旋磁矩的耦合作用決定了不同磁疇結(jié)構(gòu)的形成，如磁性斯格明子(skyrmion)、半子(meron)等，而光學(xué)自旋拓撲的形成機理尚未得到有效的論證。該研究表明，由于旋轉(zhuǎn)對稱性破缺，六角及四角對稱下的近場自旋-軌道耦合將分別形成Abrikosov及Staggered型的能流渦旋分布。根據(jù)廣義的自旋-動量綁定，兩種能流結(jié)構(gòu)分別對應(yīng)光學(xué)自旋skyrmion及meron陣列（圖1）。同時，通過求解方形邊界下能量哈密頓量的極值，可以得到與理論預(yù)測一直的自旋meron結(jié)構(gòu)。該研究揭示了自旋拓撲光子學(xué)新物理，為光學(xué)體系下的自旋拓撲特性的研究提供了新思路，在光學(xué)位移傳感、磁疇檢測、量子技術(shù)等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。

圖1 不同對稱性下的自旋拓撲結(jié)構(gòu)

項目支持：廣東省科技廳，廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項目，2020B0301030009，超高時空光場調(diào)控與成像基礎(chǔ)研究，2020/11/29-2025/11/28，4500萬，在研，主持

國家自然科學(xué)基金委員會，聯(lián)合基金集成項目，U1701661，面向高性能計算的柱矢量光束光互聯(lián)基礎(chǔ)研究及關(guān)鍵器件與系統(tǒng)，2018/1/1-2021/12/31，1210萬，在研，主持

深圳市科技創(chuàng)新委員會，杰出青年項目， RCJC20200714114435063，近場自旋光子技術(shù)：基礎(chǔ)、表征與應(yīng)用，2021/04/01-2026/04/01，450萬元，在研，主持

深圳市科技創(chuàng)新委員會，孔雀團隊項目，KQTD20170330110444030，超靈敏生物傳感成像技術(shù)研發(fā)團隊，2018/3/1-2023/2/28，2000萬，在研，主持

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.237403