近日，复旦大学物理学系/应用表面物理全国重点实验室资剑教授、石磊教授团队与新加坡南洋理工大学申艺杰教授团队合作，在拓扑光子学领域取得重要研究进展，研究成果以“Meron Spin Textures in Momentum Space Spawning from Bound States in the Continuum”为题发表在Physical Review Letters【Phys. Rev. Lett. 135, 026203 (2025)】上，并被选为Editors’ Suggestion和Featured in Physics。论文的共同第一作者为复旦大学的饶立希博士生和王佳俊博士，通讯作者为复旦大学的王佳俊博士、石磊教授、资剑教授和南洋理工大学的申艺杰教授。 一、研究背景 拓扑自旋织构（Topological spin texture）是一种具有非平凡拓扑特性的具有不同维度的构型，携带稳定的拓扑数。斯格明子（Skyrmion）和半子（Meron）作为二维拓扑自旋织构，早期在粒子物理和凝聚态物理中被大量研究，揭示了许多独特的性质和效应。近年来，拓扑自旋织构在光学体系中被实现，包括倏逝电磁场、能流分布和时空光场等，展现出了极大的应用前景，对其产生、调控和应用是当前的核心研究内容。 研究团队揭示了基于连续谱中束缚态（Bound state in the continuum，BIC）产生的动量空间半子。BIC是动量空间中的拓扑奇点，携带整数的拓扑荷，与动量空间的偏振涡旋紧密关联【Photonics Insights 3.1 (2024): R01-R01】。复旦团队前序系统性研究工作揭示了基于BIC实现的丰富光场调控效应，如光涡旋产生和光束位移调控等【Nature Photonics 14.10 (2020): 623-628;Physical Review Letters 129.23 (2022): 236101; National Science Review 10.5 (2023): nwac234; Physical Review Letters 133.3 (2024): 036201; Physical Review Letters 134.13 (2025): 133802】。这些工作都证实了BIC在实现偏振涡旋拓扑和动量空间拓扑调控方面所具有的重要潜力。 二、研究亮点 图1展示了基于光子晶体平板产生动量空间中半子的示意图。当一束单色圆偏振光照射到光子晶体平板，围绕拓扑荷为q的BIC的动量空间偏振涡旋会为入射光场实现共振调控，在透射光中具体表现为交叉极化和同极化成分的相位和振幅调制。交叉极化分量会携带相位涡旋（涡旋相位绕数|l|=2|q|），而同极化分量不携带相位涡旋（涡旋相位绕数为0）。受对称性保护，Γ点对应的交叉极化率为0，同极化占比最大，从Γ点向外一定范围，交叉极化分量和同极化分量的比值单调增加。基于此，总的透射光场的偏振分布呈现Stokes Meron构型。通过切换入射圆偏振态，可以产生两种具有不同极性的半子，分别对应于Poincaré球的上半球和下半球。 图1 光子晶体平板BIC产生半子的示意图 图2展示了设计的光子晶体样品及相应计算结果。所采用的光子能带的Γ点为+1拓扑荷的BIC。对于右旋圆偏振单色光入射，其动量空间交叉极化携带-2的涡旋相位绕数，而同极化光涡旋相位绕数为0。图2(e)展示了透射光在动量空间中展现出的二阶Stokes Meron织构。将该二阶半子一半投影到Poincaré球上，可以完美覆盖Poincaré球上半球。 图2 设计的光子晶体平板及基于BIC产生的二阶动量空间半子的模拟结果 图3展示了测得的角分辨透射光谱、透射光场的斯托克斯参数、透射光场的交叉极化和同极化的成分占比、动量空间相位分布以及产生的两种相反极性的半子织构。实验结果直接验证了预期的动量空间调控效应，直接实现了动量空间中Stokes Meron的产生。 图3 动量空间Stokes Meron的实验表征 BIC的偏振涡旋是光子能带的内禀性质，结合光子能带的色散，提供了较大的操作带宽，可以在一定波长范围内稳定产生Stokes Meron。研究团队在实验上进一步测得了不同波长下的半子，产生两种极性的二阶半子的斯格明数几乎为±1，其构型依赖于能带的构型（图4）。 图4 不同波长下产生的半子和测得的斯格明数 三、总结与展望 本研究进一步探索了围绕BIC拓扑偏振涡旋带来的拓扑光场调控效应，提出了一种全新的动量空间Stokes Meron产生方式，揭示了偏振涡旋、相位涡旋、Stokes斯格明光场之间的关联。由于光子晶体结构所具有的周期性，本方法还具有紧凑性和无需对准的特点。这种紧凑、无需对准和具有一定带宽的光学斯格明织构的产生方式，也为进一步应用斯格明光场打下了坚实的基础。 文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/3g3j-mnh9
