Skyrmions能飞

超环形光脉冲中磁涡环和天旋子的空间拓扑结构示意图。灰色的点和环表示磁场中奇点(鞍点和涡环)的分布，大的粉色箭头表示磁选择矢量方向，小的彩色箭头表示磁场中的天柱结构。资料来源:沈毅杰(2021)。

自1890年以来，光学和光子学拓扑一直是一个热门的话题，其中电磁场中的奇点一直被考虑。最近因凝聚态物理拓扑发展而获得的诺贝尔奖，在光子学中实现凝聚态粒子状拓扑结构的最新进展，导致了光学拓扑的新浪潮。最近，拓扑光子学，特别是拓扑电磁脉冲，为非平凡的波-物质相互作用提供了希望，并为信息和能量传递提供了额外的自由度。然而，到目前为止，超快瞬变电磁脉冲的拓扑结构在很大程度上还没有被探索。

在他们的论文《Nat. Commun》中。，英国和新加坡的物理学家报道了一个新的电磁脉冲家族，即具有环形拓扑的麦克斯韦方程的精确解，其中拓扑复杂性可以连续控制，即超环形拓扑。这种超环形脉冲中的电磁场在自由空间中以光速传播时具有skyronic结构。

Skyrmions是一种复杂的拓扑粒子，最初由Tony Skyrme在1962年提出作为核子的统一模型，它的行为就像具有壮观纹理的纳米级磁漩涡。由于非平凡激发对信息存储和传输具有重要作用，因此在手性磁体和液晶等凝聚态系统中得到了广泛的研究。如果天空之星能飞起来，就为下一代信息革命开辟了无限可能。

项目主管Nikolay Zheludev教授说:“这是已知的第一个传播天基子的例子，之前观察到的基本拓扑结构是固体中的自旋形成和超材料模式近场的局域电磁激发。”

超环脉冲是所谓的“飞行甜甜圈”的推广，一个环单周期脉冲具有时空不可分的结构，与矢量奇点和非辐射的极激励有关。超环脉冲具有越来越复杂的分形环形拓扑结构，表现出矩阵状奇异壳的电磁场构型、不同斯基米数的斯基米子结构，以及坡印亭矢量场的多重奇点，并伴有多层能量回流效应。拓扑复杂度可以通过增加脉冲增加的超环阶来控制。

这些结果提出了超环脉冲作为研究拓扑场构型及其动力学的平台。超环形脉冲的拓扑特性提供了额外的自由度，可以在许多领域中找到应用，例如涉及结构光、光学捕获、光制造和粒子加速的信息编码/解码方案。“我们认为这是第一次在超快结构脉冲中提出skyronic结构，并且在超环形脉冲的瞬时电磁场中存在多种不同结构的多重skyronic结构。这类光子结构利用了有趣的清晰空间特征，在高精度计量和超分辨率成像方面有潜在的应用前景，”该论文的第一作者Yijie Shen博士说。

这项工作为研究光与物质的相互作用、超快光学、超环形光脉冲拓扑光学(如耦合到电磁偶极子和局域电离子)及其在超分辨率测量和成像、信息和能量传输方面的应用提供了许多有趣的机会。