空军工程大学、南京航空航天大学联合东南大学、新加披国立大学PhotoniX|光学系统中半子-反半子对的首次发现与对称性分类

近日，空军工程大学王甲富教授、杨杰副教授、富新民副教授团队，南京航空航天大学郑学智教授团队，联合东南大学崔铁军院士及新加披国立大学仇成伟教授团队，在光学拓扑准粒子研究方面取得重要突破，在《PhotoniX》上发表了题为“Optical meron-antimeron pairs in doubly degenerate plasmonic orbitals”的研究论文。该工作首次在实验上证实了光学系统二重轨道简并态中普遍存在一类新的拓扑准粒子——半子-反半子对（meron-antimeron pairs），以局域表面等离激元系统为例，讨论了其内存在的时谐半子-反半子对、靶型半子反半子对、孤立的半子和反半子等多种准粒子拓扑构型，建立了基于群论的拓扑准粒子对称性分类表，揭示了其拓扑不变量与系统轨道角动量指标之间的严格对应关系。研究进一步展示了该型准粒子对形变与扰动的强鲁棒性，并挖掘了其在极深亚波长传感（分辨率达λ/133）中的应用潜力。

杨杰副教授与富新民副教授为论文共同第一作者，王甲富教授、郑学智教授、仇成伟教授与崔铁军院士为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、比利时佛兰德斯研究基金会（FWO）等基金项目支持。

图1：谐振器中激发的半子-反半子对及其对应的单位球映射示意图

研究亮点

1. 首次在光学系统中发现半子-反半子对，建立拓扑不变量与轨道指标的严格对应

研究团队基于具有8重旋转对称性的金属环谐振器，利用群论方法分析了其本征态所属的不可约表示（irreps）。通过设计双点源激励并满足对称匹配条件，成功在二重简并轨道中激发出一类新型光学拓扑准粒子——半子-反半子对。研究发现，其绝对斯格明子数（absolute skyrmion number）严格由不可约表示的轨道角动量指标决定：

其中为轨道角动量量子数。该结果为光学拓扑准粒子的拓扑量化提供了严格的群论依据。团队分别在人工局域表面等离激元模式电场分量、磁场分量、自旋纹理中研究了半子反-半子对、靶型半子反-半子对以及孤立的半子和反半子等准粒子构型，如图2-4所示。

图2：局域表面等离激元轨道态电场中存在的时谐半子-反半子对

图3：局域表面等离激元轨道态磁场中存在的时谐靶型半子-反半子对

图4：局域表面等离激元轨道态自旋纹理中存在的孤立半子与反半子

2. 揭示拓扑保护特性与极深亚波长传感潜力

研究通过引入几何扰动（如扇形缺陷）验证了半子-反半子对的强鲁棒性：即使对称性被部分破坏，其拓扑构型仍得以保持，但会引起额外的谐振频率分裂效应（Splitting effect of resonant frequencies）。该频率分裂效应与扰动尺寸呈敏感对应关系，数值模拟结果展示了基于二阶半子-反半子对的长度传感分辨率可达λ/133。

图5：基于二阶半子-反半子对的长度传感性能，分辨率达λ/133

3. 提出光学准粒子的对称性分类表，统一框架涵盖多种拓扑构型

研究团队证明，在具有M重旋转对称光学系统中，所有拓扑准粒子（包括斯格明子、半子-反半子对、靶型半子-反半子对等）均可归类为相应对称群的不可约表示。基于此，团队首次给出了光学拓扑准粒子的对称性分类表，明确指出了：

• A1表示对应斯格明子（skyrmion），斯格明子数为1；

• Eh表示对应携带轨道角动量的半子-反半子对，其绝对斯格明子数等于轨道指标；

• 非简并表示（如 B1）中也可存在不携带角动量的半子-反半子对。

该分类表为拓扑光场的系统性设计与调控提供了理论框架。

表1：光学拓扑准粒子作为 DMDM群不可约表示的对称性分类表示例

实验验证与物理机制

团队通过印刷电路板工艺制备了谐振器样品，并在微波暗室中搭建了近场扫描系统进行实验验证。实验成功观测到对应于 E1 表示下，电场分量中的半子-反半子对、磁场分量中的靶型半子对以及自旋纹理中的稳态自旋半子/反半子，与仿真结果高度一致。进一步分析表明，这些拓扑构型的起源可追溯至相位奇点、偏振奇点（V点与C点）以及表面等离子体自旋-轨道耦合效应。

总结与展望

本研究首次在光学系统中实验发现并系统阐释了半子-反半子对这一新型拓扑准粒子，建立了基于对称性的分类与调控框架，并揭示了其在极深亚波长传感与拓扑光学器件中的巨大潜力。该工作不仅拓宽了光学拓扑准粒子的研究谱系，也为未来在光学矢量成像、高维信息编码、纳米光子学传感与计量等领域的应用奠定了理论与实验基础。未来，该成果可进一步推广至可见光波段的金纳米颗粒、等离子体涡旋透镜等系统，推动拓扑光子学与纳米光学、量子光学等领域的深度融合。

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