拓扑光学斯格明子向物质的转移

量子物理 光学 凝聚态物理 物理学
拓扑光子学 斯格明子 冷原子气体 数据存储 光拓扑结构

学术背景

近年来，结构化光（structured light）在模拟高能物理、宇宙学、磁性材料和超流体中的拓扑斯格明子（skyrmion）纹理方面展现了巨大的潜力。斯格明子是一种非奇异、局域的拓扑结构，最初在核物理中被提出，后来在超流体、磁性材料和玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein condensates）中得到了广泛研究。尽管光学斯格明子在数据编码和存储方面具有潜在应用，但关于其拓扑结构向物质转移和存储的研究却非常有限。本文旨在解决这一问题，通过实验展示如何将激光束中的斯格明子拓扑高保真地映射到冷原子气体中，并在新的非传播形式下进行检测。

论文来源

本文由Chirantan Mitra、Chetan Sriram Madasu、Lucas Gabardos、Chang Chi Kwong、Yijie Shen、Janne Ruostekoski和David Wilkowski共同撰写。作者来自多个研究机构，包括新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）、新加坡国立大学（National University of Singapore）、法国尼斯大学（Université Côte d’Azur）和英国兰卡斯特大学（Lancaster University）。该研究于2025年4月16日发表在《APL Photonics》期刊上，题为“Topological Optical Skyrmion Transfer to Matter”。

研究流程

1. 光学斯格明子的制备与测量

研究的第一步是制备并测量激光束中的拓扑斯格明子纹理。通过将高斯光束（Gaussian beam）与拉盖尔-高斯光束（Laguerre-Gaussian beam, LG beam）叠加，生成了具有斯格明子拓扑结构的光束。斯格明子的拓扑电荷（topological charge）通过斯托克斯矢量（Stokes vector）进行表征，实验测得的光学斯格明子的拓扑电荷为 ( q \simeq 0.91 )。

2. 光学斯格明子与冷原子的相互作用

接下来，研究人员将光学斯格明子与冷原子气体进行相互作用。实验中使用了冷锶-87原子气体，温度控制在6.9微开尔文（μK）。通过一个λ型能级结构（λ-scheme），将光学斯格明子的拓扑结构转移到原子气体中。具体而言，高斯光束和LG光束分别驱动原子的两个基态与激发态之间的跃迁，通过绝热通道（adiabatic passage）将原子从初始态转移到暗态（dark state）。

3. 原子斯格明子的检测

在原子气体中，斯格明子的拓扑结构通过检测原子暗态的布居数（population）来表征。研究人员使用自旋敏感的阴影成像技术（spin-sensitive shadow imaging）测量了两个基态的布居数分布，并从中提取了拓扑电荷密度（topological charge density）。实验测得的原子斯格明子的拓扑电荷为 ( q \simeq 0.84 )，略低于光学斯格明子的拓扑电荷，主要原因是激光束的宽度远大于原子云的尺寸。

主要结果

  1. 光学斯格明子的拓扑电荷：实验测得的光学斯格明子的拓扑电荷为 ( q \simeq 0.91 )，表明其斯托克斯矢量在庞加莱球（Poincaré sphere）上几乎完全包裹了一次。
  2. 原子斯格明子的拓扑电荷：在原子气体中，斯格明子的拓扑电荷为 ( q \simeq 0.84 )，表明拓扑结构在转移过程中保持了较高的保真度。
  3. 拓扑电荷的差异：原子斯格明子的拓扑电荷略低于光学斯格明子，主要是由于激光束与原子云的空间重叠区域有限，导致部分拓扑信息丢失。

结论与意义

本研究成功实现了光学斯格明子拓扑结构向冷原子气体的高保真转移，并首次在原子气体中检测到了斯格明子的拓扑电荷。这一成果为拓扑光子态（topological photonic states）的存储和分析提供了新的途径，特别是在数据编码和存储领域具有潜在应用。此外，本研究还为研究更复杂的结构化光拓扑结构提供了新的实验方法。

研究亮点

  1. 高保真拓扑转移：首次实现了光学斯格明子拓扑结构向物质的高保真转移，并成功检测到原子斯格明子的拓扑电荷。
  2. 实验方法创新：通过绝热通道将光学斯格明子转移到原子气体中，并利用自旋敏感的阴影成像技术检测拓扑结构。
  3. 潜在应用价值：该研究为拓扑光子态的存储和复杂拓扑结构的分析提供了新的实验基础，具有重要的科学和应用价值。

其他有价值的信息

本研究的实验数据已公开在Dataverse平台上，读者可以通过DOI 10.21979/N9/EAVRTG 访问。此外，研究团队还详细描述了实验中所使用的原子样品、光束生成和测量方法，为后续研究提供了重要的参考。

通过这项研究，科学家们不仅展示了光学斯格明子向物质转移的可行性，还为未来拓扑光子学的研究开辟了新的方向。这一成果有望在量子信息处理、数据存储和复杂光场分析等领域产生深远影响。