作者：朱汉斌 来源：中国科学报
暨南大学物理与光电工程学院教授陈振强/李真/付神贺团队与以色列特拉维夫大学教授Boris Malomed合作，研究揭示了新颖的物理光学现象：在自由空间中，多个光学涡旋与反涡旋集群能够在传播中的相干光场中逐渐结晶成稳定的晶格模式，该模式在几个瑞利距离的传输过程中保持晶格形态不变。相关成果近日发表于《自然-通讯》。
涡旋结构广泛存在于超导物理、玻色-爱因斯坦凝聚、流体力学、声学、光学等领域。涡旋-反涡旋单元能够自发组织形成相应的极性晶格结构。然而，涡旋-反涡旋之间存在强烈的相互作用，导致这些晶格结构极其不稳定，在传输或演化过程中产生不可预测的散斑场。
涡旋-反涡旋晶格（含5×5个单元）稳定传播。不同传播距离下实验观测的光强分布（a-d）和相位分布（e-h）。实验结果与理论预测结果（i-p）保持一致。研究团队 供图
该科学问题在大容量光信息传输与处理、多粒子光操控、多维度显微成像等光学前沿领域尤为突出，限制了相关光学技术的发展与应用。陈振强/李真/付神贺带领团队在国家自然科学基金项目、广东省重点项目、广州市科技计划项目等的支持下，攻克了这一基础问题。
该团队提出涡旋-反涡旋相互作用模型，用于描述不同极性涡旋之间的相互耦合。团队指出，涡旋-反涡旋之间的耦合相互作用强烈依赖于涡旋结构的空间分布，即不同的涡旋结构将表现出不同的相互作用效果。涡旋-反涡旋相互作用的存在引发光学结构相变，进而导致涡旋晶格结构的不稳定传输。
然而，涡旋-反涡旋单元之间存在一种特殊的结构，使得不同晶格位置上涡旋和反涡旋之间的有效相互作用刚好达到平衡，此时出现稳定的涡旋-反涡旋晶格化现象。该团队不仅从理论上导出涡旋-反涡旋结晶的条件，还从实验上验证了这一猜想，证实了涡旋-反涡旋稳定传输的效应。
值得一提的是，团队提出的涡旋-反涡旋耦合（即光子轨道-轨道耦合）物理机制与广泛研究的光子自旋-轨道耦合机制不同，属于不同形式的光子角动量间的相互作用。由于波动系统的相似性，该效应有望进一步推广至其它物理波动体系，如物质波、表面水波、声波等。
该研究方法为物理波场调控开辟了新的技术原理。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50458-y
