新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的科学家发现了一种更简单的方法，通过复兴一种超过200年历史的经典光学实验来生产被称为光学斯基米翁的特殊光结构。光学斯基米翁是光的特性中形成的微小而稳定的旋转模式。它们的结构常常被比作刺猬的刺。由于它们有潜力编码和存储信息，研究人员将其视为未来数据存储、通信和计算技术的有前景的基石。NTU团队用激光照射一个小的圆盘来创造光学斯基米翁，而不是依赖传统上需要的昂贵的高科技超材料。这种方法提供了一种更简单的方法来生产、研究和控制这些复杂的光结构。研究结果发表在《Optica》期刊上，由南洋理工大学物理与数学科学学院及电气与电子工程学院的助理教授沈怡杰领导。沈教授解释道：“值得注意的是，光学斯基米翁现在可以利用一种简单的光线绕物体弯曲的效应生成，而不再依赖昂贵的复杂人造超材料或高度专业化的技术。这使得光学斯基米翁对研究人员变得更加易于获取。通过降低创建和研究它们的技术门槛，这种方法为科学家提供了新的可能性来研究它们在未来光学、材料和计算研究中的应用。” 经典光现象找到新用途 这一突破基于泊松点，这是一种著名的光学现象，当一个圆形物体被一致的光源（如激光）照射时，明亮的点出现在物体投影的中心阴影中。泊松点在19世纪初关于光的本质的辩论中发挥了重要作用。当时，科学家们质疑光是否只以直线形式作为粒子传播，或是表现为可以弯曲和传播的波。波动理论预测，在圆盘阴影的中心应该出现一个明亮的点，而在这个地方本应是完全黑暗的。观察泊松点提供了令人信服的证据，证明光在经过物体或小孔时发生衍射，即光会在绕过物体时弯曲和扩展。 同时产生四种类型的光学斯基米翁 研究人员还发现，他们的泊松点装置自然地同时产生多达四种相关的拓扑场模式。这些包括自旋斯基米翁、斯托克斯斯基米翁、电场斯基米翁和磁场斯基米翁。自旋指的是光的旋转特性，而斯托克斯参数描述的是偏振，即光波在传播时振动的方向。一起生成这四种类型可能为科学家提供了独特的机会，以比较不同光学斯基米翁在同一光场中的形成、演变和相互作用。计算机模拟显示，这些结构显示为旋转的箭头阵列，演示了在泊松点中光的不同特性如何改变方向。 简单的方法来控制复杂光 光具有许多特性，研究人员可以操控，包括它的强度、相位、偏振、自旋以及它的电场和磁场矢量。这些属性可以排列成拓扑结构，这是一种即使被拉伸或扭曲仍然保持稳定的模式。通过调整塑造光场的条件，科学家们可能能够精确控制光学斯基米翁的大小、形状和行为。沈教授表示：“在我们创造的光点中，几种类型的光学矢量能够同时形成拓扑结构。这些光的不同成分密切相关，但它们不一定形成相同的拓扑模式。能够在一个系统内产生并比较多个斯基米翁可能有助于研究人员发现光的电、磁及其他物理特性之间的新联系。” 在计算及光子学中的潜在应用 斯基米翁最初是在粒子和核物理中被提出的，随后成为凝聚态物理和磁性材料的重要研究领域。最近，科学家们开始研究光学斯基米翁作为在光场中存在的稳定的类粒子结构。之前生成光学斯基米翁的方法依赖于超材料，这些是设计用于以传统材料无法实现的方式操控光的人工工程微观结构。通过用更简单的光学装置替代这些复杂系统，NTU团队的工作可能使光学斯基米翁研究更易获取。这些发现也为未来的拓扑光研究奠定了基础，并可能对