导读

斯格明子（Skyrmion）是一种三维非平凡拓扑织构，因其独特的稳定性和丰富的物理内涵，在磁学、凝聚态物理等领域备受关注。近年来，研究人员成功在光学中构造出光学斯格明子，借助光场的偏振和轨道角动量（OAM）在空间域产生复杂的偏振拓扑结构。然而，迄今所有的光学斯格明子均局限在空间域，由纵向OAM驱动，形成随传播方向扭曲的“螺旋管”。能否打破这一限制，让斯格明子从空间域走向“空间+时间”的时空域？

近日，上海理工大学詹其文团队首次提出并实验证实了一种全新的光学时空斯格明子（spatiotemporal skyrmion）。借助皮秒脉冲波包的矢量化时空雕刻（vectorial sculpturing），通过两束正交偏振的时空高斯波包和时空涡旋波包叠加，生成了覆盖完整偏振态的时空拓扑结构——时空斯格明子。

研究成果以“Construction of Optical Spatiotemporal Skyrmions”为题发表于《Light: Science & Applications》。该成果将光学斯格明子的拓扑概念从空间域扩展到了时空域，为结构光与拓扑光学的研究开辟了新的方向。

研究内容

斯格明子（skyrmion）是一种具有非平凡拓扑特性和三维矢量结构的拓扑准粒子，其形状受拓扑保护——就像打了结的绳子，除非剪断，否则无法解开。得益于这种稳定性，斯格明子能广泛存在于超冷原子气体、液晶、磁性材料乃至水波系统中，并因其微小尺寸和高稳定性，在高密度数据存储、信息传输及新型计算技术中展现出巨大潜力。

近年来，科学家将斯格明子的概念引入光学，通过精确调控光的相位、偏振和轨道角动量，构建出具有拓扑特性的“光学斯格明子”，其结构在干扰下依然保持稳定，为光通信和光子计算提供了新可能。以往研究多集中于空间域的斯格明子[图1(a)]，而随时间演化的“时空斯格明子”矢量型拓扑准粒子仍鲜有探索。这类结构不仅具备空间上的拓扑扭曲，还在时间维度呈现复杂演化，为高维光场拓扑研究开辟了新方向。

研究亮点

在本工作中，我们首次在理论上提出并实验实现了时空域光学斯格明子。该结构依托横向轨道角动量（OAM）与脉冲光的矢量化整形，将光场调控从纯空间框架扩展至完整的时空范式。通过在时间与空间上精确对准的时空高斯模脉冲与正交偏振的时空涡旋模脉冲，我们构建了最基本的时空斯格明子拓扑[图1(b)]。这些织构涵盖了时空维度中所有可能的偏振态，且由于沿 y 轴方向的矢量整形均匀，斯格明子在垂直于其平面（x–t 平面）方向上无螺旋扭转，形成切片完全一致的理想斯格明子管。

图1. 空间斯格明子与时空斯格明子。

在我们的研究中，时空斯格明子在传播时展现出一种极具魅力的变化过程。在特殊的介质中传播时，它的形状由两种力量——介质色散和空间衍射——精确平衡，就像两个人拉绳子一样，保持着整体结构的稳定。在这种情况下，光束的大小会随着传播距离逐渐变化，而一种叫做 Gouy 相位移 的效应，会让斯格明子的“扭曲方向”沿传播方向均匀旋转。起初，它是Neel 型（像箭头向内或向外指，图二中间一列），走到中途会变成一种混合结构（图二第一列和第三列），最终在很远的地方变成 Bloch 型（像箭头围绕打圈）。不过，如果让它在自由空间中传播，这个“光的结”就可能被拉伸、变形，拓扑结构也会发生改变。这为我们揭示了光在时空中的复杂演化规律，也为未来操控光的拓扑形态提供了新思路。

图2. 时空斯格明子在色散介质中的传播。

总结与展望

从“空间”走向“时空”，我们首次在超快光波包中构造并直观观测到光学时空斯格明子，让光的拓扑形态不再局限于三维空间，而是延伸到四维时空。这一突破不仅为光–物质相互作用、超快光通信和拓扑信息存储提供了全新可能，也为探索更高维的光学拓扑态打开了大门。未来，这些时空“光结”或将成为信息传输的高速公路、光学拓扑学的新里程碑，以及通往未知光场世界的钥匙。

本项研究得到了国家自然科学基金委重点项目，上海市科委地方院校能力建设项目，以及上海市教委高水平地方高校“纳米光子学”重点创新团队项目的部分支持。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02028-0