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、石磊教授团队在时空涡旋波包研究中取得重要研究进展。研究成果以“Propagation-invariant spatiotemporal vortices”为题发表于Sci. Bull. 70, 3758-3763 (2025).。 近年来，拓扑结构因其在波动系统中的鲁棒性及在信息编码与传输中的潜力成为物理学前沿热点。其中，时空涡旋波束（spatiotemporal vortex beams, STVBs）将涡旋调控从空间域拓展至时空域，为高维信息编码、光通信和粒子操控开辟了新路径。然而，受限于系统本征色散关系（如自由空间中的线性色散），时空涡旋在传播中易受衍射影响，导致波包展宽、高阶拓扑荷畸变甚至分裂，制约其实际应用。为此，课题组在液体表面波系统中提出了一种有效策略，该系统天然的准二维构型高度契合时空涡旋的构建与演化，为其实现稳定乃至无衍射传播提供了理想平台。 事实上，资剑教授团队自2000年代初期便率先将光子晶体调控电磁波的思想引入水波系统（获Nature highlight报道[1]），近年相继在液体表面波系统中实现可传播时空涡旋[2]、复杂拓扑波场构建[3]；并于近期研制出液体表面波平板相控阵系统，实现拓扑结构的按需生成与可控传播，为本研究提供了关键实验基础。 本研究创新性地利用了液体表面波系统中存在的反常色散频段，构建出了具有恒定群速度的时空涡旋波包，首次实现了无衍射/传播不变的时空涡旋，有效克服了目前时空涡旋因衍射导致的形变及高阶拓扑荷难以稳定存在（易发生畸变或分裂）的问题，为信息传输、粒子操控等应用提供了更多的可能。 研究团队指出，在反常色散区域（即高频相速度大于低频相速度），通过一个倾斜平面与色散曲面相交，可形成闭合的频率-动量谱环（图1d），该时空耦合关系既满足了传播不变所需的群速度不变条件(即角频率与轴向动量成正比)，又能承载螺旋相位。这一机制解决了传统传播不变波包与时空涡旋之间的内在矛盾，从而实现了兼具拓扑特性与传播不变特性的时空涡旋波包。 研究团队通过自主搭建的液体表面波相控阵系统，利用液体表面波天然存在的反常色散区域，将目标频率-动量谱 E(kx, ω) 反演为时域驱动信号，精确激发所需波场（图2b）。 作为参照，团队首先激发了传统贝塞尔型时空涡旋（图3b）。实验清晰显示：携带+1拓扑荷的时空涡旋在传播过程中发生明显的斜向拉伸变形；而+2拓扑荷则迅速分裂为两个+1拓扑荷，表现出显著的不稳定性。 相比之下，基于本文提出的理论所激发的传播不变时空涡旋（图3c），无论携带+1还是+2拓扑荷，在传播约40倍中心波长后，其波包的横向与纵向尺寸几乎保持不变，且+2拓扑荷未发生任何分裂，展现出高度稳定的拓扑结构，验证了新机制的无衍射/传播不变特性。 本研究首次在实验上实现了传播不变的时空涡旋波包，为长期困扰该领域的衍射展宽与拓扑荷分裂问题提供了一种有效解决方案。通过巧妙协同调控系统的色散特性与频率-动量谱的时空耦合关系，团队不仅验证了理论构想，也有力推动了高鲁棒性拓扑时空波包研究的发展。 另一方面，液体表面波平台作为一种经典、易于观测且高度可控的波动系统，能够有效模拟复杂的波动现象，从而反哺光学及其他波动体系的研究，为探究光学及其他体系中难以直接观测的物理现象与基本原理提供直观、可控的实验平台。 论文的共同第一作者为复旦大学的叶俊燚博士生、车治辕博士，通讯作者为复旦大学的车治辕博士、刘文哲青年研究员、石磊教授和资剑教授。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委及中国博士后科学基金等项目的支持。 论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.10.001 Nature 428, 713, 2004 Z. Che, W. Liu et al., Phys. Rev. Lett. 132, 044001 (2024). B. Wang, Z. Che et al., Nature 638, 394-400 (2025). 图1. 四类时空波包在频率-动量域中的构建原理示意图：(a) 高斯脉冲波束，随传播而展宽；(b) 传统贝塞尔时空涡旋光束，随传播涡旋畸变或分裂；(c) 普通传播不变时空波包，传播不变但不附带拓扑结构；(d) 传播不变时空涡旋，利用反常色散同时实现闭合谱环和恒定群速度，传播过程形状不变。 图2. 传播不变类贝塞尔时空波包的实验观测：(a) 频率-动量域的闭合谱环关系；(b) 实验测得的波包传播过程；(c) 对应的数值模拟结果；(d) 横向与纵向主瓣宽度随时间的变化。 图3. 传统与传播不变时空涡旋波包的实验结果：(a) 传播不变时空涡旋的谱结构及+1、+2拓扑荷的螺旋相位；(b) 传统时空涡旋在传播中发生形变和+2拓扑荷分裂；(c) 传播不变时空涡旋保持轮廓与拓扑荷稳定。
