ROPP编辑优选：旋错准晶中的光涡旋
文章介绍
Hua Zhong（钟华）, Yaroslav V Kartashov, Yongdong Li（李永东）, Fangwei Ye（叶芳伟） and Yiqi Zhang（张贻齐）
通讯作者：
- 叶芳伟，成都理工大学/上海交通大学
- 张贻齐，西安交通大学
研究背景：
准晶结构是一种不具备平移对称性、但长程有序的非周期材料，其特殊的内部结构和对称性可带来丰富的激发演化现象。至今，准晶系统已在凝聚态物理、光学、声学等领域得到了广泛研究。在光学系统中，准晶结构的离散对称性可对涡旋态的传播行为及局域化特性进行调控。然而，此前的研究大多基于最原始的C5彭罗斯准晶结构，关于准晶系统的离散旋转对称性对涡旋光束的影响仍处于空白阶段。本文通过设计离散旋转对称性可变的旋错准晶结构，首次探索了无阈值非线性涡旋光孤子的形成机制及其稳定性与旋转对称性之间的关系，进一步将准晶体中的光场局域化理论扩展到具有全局拓扑形变的系统中，为非周期光学系统中涡旋光束的研究提供新途径。
研究内容：
本文通过在具有C5对称性的非周期彭罗斯准晶中设计全局拓扑缺陷，将旋错引入准晶系统中，构建了具有不同离散旋转对称性的旋错准晶结构。通过对不同对称性下的旋错准晶结构的能谱进行分析，发现这种旋错结构极大的丰富了准晶线性能谱的分布形式，使其可同时支持两类同相及反相的线性涡旋态。而且随着旋错准晶结构的离散旋转对称性增加，系统支持的涡旋态的拓扑荷数也在增加，对于C4旋错准晶结构，仅支持拓扑荷为1的涡旋态，C5,C6结构可支持拓扑荷为1，2的涡旋态，C7结构最高可支持拓扑荷为3的涡旋态。在此基础上，我们引入非线性效应，利用牛顿迭代法寻找到一系列同相及反相非线性涡旋孤子族，这些孤子从其对应的线性涡旋态分化而来，具有无阈值特性，其中同相涡旋孤子可分为能量集中在外层格点和内层格点两种形式。最后，我们对非线性涡旋孤子的稳定性进行分析，发现C4,C5结构中的孤子态具有更好的稳定性及更大的稳定区间，对结构中的无序也具有一定的鲁棒性。本文不仅首次实现了离散旋转对称性可变的旋错准晶结构，也在非线性作用下得到了无阈值涡旋光孤子，并阐明了离散旋转对称性对涡旋态拓扑电荷的约束作用及对孤子的传播动力学稳定性的影响，填补了相关空白，为非周期光学系统中涡旋光束的动态调控提供了新的理论支撑。
作者介绍
叶芳伟 教授
成都理工大学/上海交通大学
- 叶芳伟，成都理工大学/上海交通大学教授，长期致力于微纳光学和非线性光学的前沿基础研究和应用研究。在Nature、Nature Photonics、PRL等学术刊物上共发表SCI论文140余篇。任IEEE Transactions on Nanotechnology, Frontiers in Nanotechnology, Scientific Reports编委，全国光孤子学术委员会主席。先后入选“上海市优秀学术带头人计划”、“上海市东方英才计划领军项目”、“教育部长江学者奖励计划特聘教授”、“天府峨眉计划领军人才”等。
张贻齐 教授
西安交通大学
- 张贻齐，西安交通大学电子科学与工程学院教授，长期从事拓扑光场非线性调控的基础研究。以第一作者和通讯作者在Nature Physics、PRL、Advanced Materials、Nature Communications、Light: Science and Applications、Science Bulletin等发表论文100余篇。获得陕西省杰出青年基金项目、陕西高等学校科学技术研究自然科学一等奖、陕西省自然科学二等奖等，入选陕西省普通高校“青年杰出人才”支持计划，连续入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家年度榜。
期刊介绍
- 2025年影响因子：15.4 Citescore：23.0
- Reports on Progress in Physics（ROPP）作为涵盖物理学各分支的权威性综述期刊，长期以来享有盛誉。所有综述均由编委会邀请全球顶尖专家撰写，覆盖物理的经典和热点议题。同时，ROPP现在开始接受原创研究文章投稿。