光的全新形态，科学家刚刚创造出由光结构成的时空晶体，

抖音热门 2025年08月28日 20:44 1 admin

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250827010722.htm

光子学领域迎来了一个里程碑式的突破。新加坡和日本的国际联合研究团队成功开发出一种前所未有的光学结构——霍普菲子时空晶体，这种由纯光构成的复杂拓扑结构可能彻底改变信息存储、光通信和量子计算的未来。

这项发表于最新期刊的研究揭示了如何将霍普菲子——一种三维拓扑结构，其内部"自旋"图案交织成相互连接的闭合环路——组装成像原子晶体一样的有序阵列。不同的是，这些光学晶体在空间和时间两个维度上都呈现周期性重复模式，创造出一种全新的物质形态。

霍普菲子在理论物理学中并非新概念，它们曾在磁场和光场中被观测或理论预测。然而，此前的研究主要集中在产生孤立的霍普菲子结构上。这次突破的关键在于研究团队找到了将这些复杂的光学结构系统性地组织成晶格的方法，开创了"时空光子晶体"这一全新研究领域。

双色光束的精密编排

三维时空霍普菲子晶体的概念。图片来源：Y. Shen 等人

实现这一突破的核心技术是双色光场的精密控制。研究团队巧妙地利用两种不同颜色的结构化光束，通过精确调控它们的空间模式和圆偏振特性，创造出了一种随时间演化的"伪自旋"系统。当两种颜色的光以特定比例设置时，整个光场会以固定周期振荡，在每个周期内都会重复产生霍普菲子链结构。

这种方法的独特之处在于其可调控性。研究人员可以通过调整一个整数参数来控制内部环路的缠绕次数，甚至可以通过交换两个波长来改变拓扑结构的符号。在计算机模拟中，这些光场在整个周期内积分时显示出接近理想的拓扑质量，证明了这种方法的可行性和精确性。

从一维霍普菲子链出发，研究团队进一步描述了如何构建三维霍普菲子晶体。他们设计了一个由多个微型光发射器组成的远场晶格系统，每个发射器都具有定制的相位和偏振特性，并由两种相近颜色的光驱动。这种设计使得整个晶格自然地分化为具有相反局部拓扑特性的子单元，同时在整体结构中保持清晰的交替模式。

从理论走向实用

研究团队不仅提出了理论框架，还详细描述了实现这些结构的实用方法。他们提出可以使用偶极子阵列、光栅耦合器或微波天线来构建所需的光源布置。这种实用性导向的研究方法为将这一突破性发现转化为实际应用奠定了基础。

与早期依赖光束沿传播轴衍射的光学霍普菲子不同，这种新设计在固定平面的联合时空域中工作，主要依靠周期性拍频来维持结构稳定性。研究团队还深入分析了这些结构在传播过程中的稳定性条件，明确了什么情况下它们能够在保持拓扑完整性的同时传播一定距离，以及衍射何时会破坏其结构完整性。

这种对实际物理限制的深入理解对于将理论概念转化为可用技术至关重要。研究团队的分析为未来的实验设计和工程应用提供了重要指导。

拓扑光子学的新前沿

霍普菲子时空晶体的成功构建标志着拓扑光子学进入了一个新的发展阶段。拓扑结构，如斯格明子，已经在高密度、低误差数据存储和信号路由方面展现了巨大潜力。将这一概念扩展到光学霍普菲子晶体领域，可能为多个技术领域带来革命性变化。

在信息技术方面，这些结构可能实现高维编码方案，大幅提升数据存储密度和传输效率。它们的拓扑保护特性意味着信息可以在面对外界干扰时保持稳定，这对于构建更可靠的通信系统具有重要意义。

在量子技术领域，霍普菲子时空晶体可能为原子捕获和操控提供新的策略。它们复杂的拓扑结构可能创造出独特的势能景观，为量子计算和量子模拟开辟新的可能性。

此外，这些结构还可能催生全新的光物质相互作用机制。研究团队指出，时空霍普菲子晶体的诞生为在光学、太赫兹和微波领域实现凝聚、稳健的拓扑信息处理开辟了道路。

这项研究的影响远超出了基础科学的范畴。随着全球对更高效、更可靠信息处理技术需求的不断增长，霍普菲子时空晶体可能成为下一代光子器件的核心组件。从超高速计算机到量子网络，从精密传感器到新型显示技术，这一突破为众多应用领域带来了新的可能性。

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