研究人員報告了一個新的、非常不尋常的、由三維拓撲孤子組成的結構化光家族–光子拓撲孤子，其中的拓撲紋理和拓撲數字可以自由和獨立地進行調整。我們在日常生活中經常可以發現一個局部的波結構，在傳播時保持其形狀–想像一下在空中飛行的煙圈。

類似的穩定結構在各個研究領域都有研究，在磁體、核系統和粒子物理學中都可以找到。與煙圈不同的是，它們可以對擾動產生彈性。這在數學和物理學中被稱為拓撲保護。

一個典型的例子是磁性薄膜中磁場的納米級颶風狀紋理，表現為粒子–即不改變其形狀–被稱為斯格明子。三維空間中類似的圓環形（或環形）圖案，將波的各種屬性的複雜空間分佈可視化，被稱為拓撲孤子。用光波實現這樣的結構是非常難以實現的。

最近對結構光的研究揭示了偏振、相位和振幅的強烈空間變化，這使得人們能夠理解–並為設計表現得像粒子一樣的拓撲穩定的光學結構提供了機會。這種具有控制多樣化拓撲特性的光的準粒子可能有很大的潛力，例如作為下一代信息載體用於超大容量的光信息傳輸，以及用於量子技術。

(a) 代表自旋的參數空間球體：參數2-球體的經度和緯度（α和β）由色調顏色和亮度表示（南極暗，自旋向下；北極亮，自旋向上）。參數2-球體上的每個點都對應於位於三維歐幾里得空間中的一條封閉的等自旋線。(b) 從超球上同一緯度β和不同經度α的選定點投射的線（用相應色調顏色的實心點突出），形成覆蓋一個環形的環形結（不同的環形結對應不同的β）。(c) 霍普夫天平的實空間可視化為來自超球的全立體映射：環形結排列在一組同軸嵌套的環上，每個環對應於一個參數2球的不同緯度β。黑圈對應於南極（自旋向下），嵌套環的軸對應於（a）中的北極（自旋向上）。(d）拓撲孤子中的三維自旋分佈，對應於（c）中的等位素輪廓，每個自旋矢量由（a）中的參數球的α和β參數著色，如插圖所示。(e, f) (d)中自旋分佈的截面圖：(e) xy (z = 0)和(f) yz (x = 0)截面圖顯示了類似天體的結構，灰色箭頭標誌著天體的渦度。顏色比例與（d）中自旋方向對應的比例相同。資料來源：Shen等人，doi 10.1117/1.AP.5.1.015001

正如《先進光子學》雜誌所報導的那樣，來自英國和中國的合作物理學家最近證明了具有設計的拓撲穩定特性的三維偏振圖案的產生，這也是第一次可以在自由空間中進行可控的轉換和傳播。

作為這一見解的結果，提供了幾個重要的進展和新的視角。”我們報告了一個新的、非常不尋常的三維拓撲孤子的結構光家族，即光子拓撲孤子，其中的拓撲紋理和拓撲數字可以自由和獨立地調整，遠遠超出了以前描述的最低階的固定拓撲紋理，”論文的主要作者、英國南安普頓大學的沈一傑說。

“我們的結果說明了光結構的巨大魅力。我們希望它們將激發進一步的調查，以實現拓撲保護的光結構在光通信、量子技術、光-物質相互作用、超分辨率顯微鏡和計量學中的潛在應用，”倫敦大學國王學院教授和項目負責人Anatoly Zayats說。

這項工作提供了一個理論背景，描述了該系列拓撲孤子的出現及其實驗生成和特徵，揭示了拓撲保護的偏振紋理的豐富結構。與之前觀察到的在固態材料中定位的拓撲孤子不同，這項工作表明，反其道而行之，光學拓撲孤子可以在自由空間傳播，並對偏振分佈進行拓撲保護。所展示的光子拓撲孤子在傳播時的強大拓撲結構是應用中經常尋求的。

這個新開發的光子拓撲跳子模型可以很容易地擴展到物理學的其他分支的其他高階拓撲結構。在其他物理學界，從高能物理到磁性材料，高階跳子的觀察仍然是一個巨大的挑戰。這項工作提出的光學方法可能會使人們對其他物理學分支的這一複雜結構領域有更深入的了解。