一种新型超表面助力科学家在超稳定光涡旋间自由切换，为构建更强大、更智能的无线通信铺平道路。

科学家研发出一种新型光学器件，能够生成两种不同类型的涡旋状光图案：电涡旋与磁涡旋。这些被称为斯格明子（skyrmions）的特殊光结构，以其卓越的稳定性和抗干扰能力而著称。鉴于其形态保持极为可靠，它们有望成为未来无线通信系统中信息传输的理想载体。

天津大学通讯作者张学谦表示：“我们的设备不仅能在自由空间传播的太赫兹脉冲中生成不止一种涡旋模式，还能利用同一集成平台按需切换两种模式。这种可控性对于实际应用至关重要，因为在这些应用中，可靠地选择和复现所需状态对于实际信息编码而言十分关键。”

张教授及其同事在光学出版集团旗下高影响力研究期刊《Optica》上发表文章称，他们首次通过实验证实了可在环形太赫兹光脉冲中实现电态与磁态主动转换的斯格明子（skyrmion）。这一突破的关键在于一种非线性超构表面。超构表面是一种纳米级图案化的超薄材料，能够以传统光学元件无法实现的方式操控光。

“我们的研究成果将可切换自由空间斯格明子的概念转化为一种用于稳健信息编码的可控工具，”南洋理工大学共同通讯作者沈亦杰表示，“这项工作可能会为太赫兹无线通信和基于光的信息处理带来更具韧性的方法。这种控制手段还能助力实现基于光的光路，以可控方式生成、切换和传输不同的信号状态。”

可编程太赫兹涡旋

太赫兹波作为下一代通信与传感技术的基石，正日益受到关注。这项研究是更广泛努力的一部分，旨在开发出不仅能发射脉冲，还能对脉冲进行塑形与调控的太赫兹光源，从而使其能够更高效地承载信息。

光环形涡旋具有环形结构，其电磁场自我回旋，形成稳定的、类似甜甜圈的图案。这些形状极具吸引力，因为它们为数据编码提供了更多途径。然而，目前大多数设备仅能产生单一类型的环形涡旋，且通常无法在不同模式间切换。

为突破这些局限，研究人员设计出一种集成装置，该装置可在自由空间太赫兹脉冲中切换电与磁环形涡旋模式。这一成果得益于由精密图案化金属纳米结构构成的非线性超表面的应用。

当不同偏振模式的近红外飞秒激光脉冲照射到超构表面时，该装置会产生截然不同的太赫兹环形脉冲。根据入射光的偏振特性，所形成的涡旋会呈现出电斯格明子或磁斯格明子结构。这一原理犹如用不同钥匙开启各异结果：某种光模式会激发电模式，而另一种则触发磁模式。

天津大学首位作者李牛（音译）在开展相关实验后表示：“核心创新在于非线性超表面，它能将成形的近红外飞秒激光脉冲转化为定制的太赫兹环形光脉冲。”

天津大学项目负责人韩家广补充道：“通过采用波片等简单光学元件以及涡旋延迟器来调控输入激光的偏振模式，我们能够打造出一种紧凑型装置，该装置可在两种截然不同的拓扑光态之间实现主动切换。”

追踪并验证斯格明子模式

为测试该装置的性能表现，研究团队构建了一套超快太赫兹测量系统，得以观测光脉冲在空间中传播的动态过程。他们未采用单帧成像方式，而是通过记录光脉冲在多个空间位置与时间节点的状态，完整复现了电磁场的时空演化轨迹。

这些测量结果清晰地揭示了环形脉冲的显著特征，并证实了存在两种截然不同的斯格明子模式。研究人员还利用保真度测量来评估性能，结果表明，该设备能够在保持各状态高度纯净的同时，可靠地切换模式。

展望未来，该团队计划推动这项技术更贴近实际通信应用。这包括提升其长期稳定性、可重复性和效率，同时缩小并强化整个系统。他们还致力于突破仅两种模式的局限，通过增加更多可控状态，实现信息编码的更加丰富与灵活。

参考文献：李牛、冯曦、马佳俊、沈亦杰、张伟力、韩家广、邱海迪、徐全、张学谦、于王克、王庆伟、郎元浩与陈谢宇于2026年2月19日发表于《光学》（Optica）期刊的论文《借助非线性超表面在环形光脉冲中实现电磁可切换的自由空间斯格明子》。DOI：10.1364/OPTICA.578501