据中国激光杂志社网，于2024年04月16日报道， 近日，南京大学陆延青教授团队与苏州大学光电科学与工程学院陈林森教授、乔文教授团队合作，在该团队前期研究：Time diffraction-free transverse orbital angular momentum beams的基础上，成功观测到了具有不同拓扑荷的手性对称性破缺光学涡环，这一成果表明手性可以提供操控光学涡环的全新维度，加速了学界对光学涡环及其动力学的理解和认识。相关成果以“Observation of chiral symmetry breaking in toroidal vortices of light”为题于2024年4月12日发表在Physical Review Letters上，并当选为当期封面论文。

       研究背景

       手性，指物体无法通过简单的平移或旋转与其镜像重合的性质，它广泛存在于自然界和科学研究中：从沙滩上罕见的左旋贝壳到建筑中的螺旋楼梯，从几乎所有生物体都具有的左手性到现代化学技术中的不对称合成，手性无处不在（图2（a）-图2（c））。此外，物理学家对手性表现出了浓厚的兴趣，例如，弱相互作用的手性导致了著名的宇称非守恒现象。在光学领域，手性光学效应如圆二色性、光学旋光性和拉曼光活性等，常被用于表征材料，这些效应都依赖于材料和圆偏振光或超手性光场的相互作用。与此同时，涡环也是一种广泛存在于多种系统中的迷人的对称结构，如游泳馆的救生圈、流体的烟圈、超材料的环形偶极子和磁性微磁体中的涡环等。在光学中，有两种可以传播的光学环形涡旋引起了广泛关注：环形光脉冲和环形光学时空涡旋。前者是麦克斯韦方程的一个精确解，可视为由电场线（磁场线）组成的圆环（图2（d））；而后者则是最近新发现的，其轨道角动量矢量卷曲为环状（图2（e））。这些光学涡环具有复杂的时空特性和环形拓扑。值得注意的是，尽管在多种系统中已观察到涡环的手性，光学涡环的手性尚需进一步探索。

        研究创新点

        本研究首次从理论预测并实验验证了一种新型光学脉冲波包——“光子海螺”，这是一种表现出明显几何手性的类光学涡环态。这些光学脉冲波包在自由空间中展示出独特的手性相关演化动力学，并携带与所有时空维度相关的局域轨道角动量。理论上，光子海螺可以通过求解剔除非线性项的前向麦克斯韦方程（FME）获得。在反常色散条件下，研究人员首先证明了沿y轴拉伸的时空贝塞尔（STB）涡旋管是FME的解。进一步通过对STB涡旋管施加一个逆螺旋变换，可以得到FME的光子海螺解（图3（a））。值得注意的是，通过将决定逆螺旋变换的特征螺旋参数设置为a=0，光子海螺将退化为一般环形时空涡旋，这说明其确实是一类广义的光学涡环态。通过对光子海螺施加宇称操作P和两重旋转对称操作C2，研究人员进一步检验了光子海螺所具有的几何手性（图3（b））。尤其是通过改变光子海螺拓扑荷l和特征螺旋参数a的符号，可以实现对光子海螺手性的任意调控。为了验证上述光子海螺，研究团队采用了与生成环形光学时空涡旋相似的实验策略。研究者首先基于该团队前期开发的瞬时x–ω调制方案（Nat Commun 13, 4021 (2022)）将入射的高斯型脉冲转换为具有可调拓扑荷的STB涡旋管。随后，利用几何光学逆螺旋变换将STB涡旋管转化为具有螺旋形态的光束。这一过程涉及两个过程：首先，第一个相位元件将STB涡旋管变换为螺旋状光束；随后，另一个相位元件对光场进行相位矫正，进而完成变换（图4（a））。在Mach-Zehnder扫描干涉测量技术的帮助下，研究者重建了实验所产生的携带拓扑荷分别为l =5和l =-15的光子海螺的三维剖面，并从中提取了在不同方位角?下的局域场强度和相位分布，如图4（b）、图4（c）所示。

       有趣的是，光子海螺在自由空间中展示出与手性相关的动力学演化，这一结论可以通过其在不同方位角?的局域场表现出不同状态得以证明（图4（b）、图4（c））。原理上，这是由于光子海螺仅是FME在反常色散条件下的解，因而在自由空间中传播时将发生演化。由于光子海螺的局部场可视为STB涡旋，后者在自由空间中的传输受其不同波长成分的传输相位差异引起的时间衍射控制，并可量化为一个内禀色散因子（Nat Commun 13, 4021 (2022)）。通过进一步重新检查逆螺旋变换，研究者发现其带来了光子海螺的空间宽度随方位角?的轻微变化（图5（a）），从而影响其局域场STB时空涡旋的演化动力学。更具体来说，光子海螺在自由空间和特定的?值下的演化可以由一个方位角?相关的内禀色散因子描述。进一步的理论与实验结果表明，上述方位角相关的内禀色散因子可以由特征螺旋参数a调控，这表明手性赋予光学涡旋全新的调控维度（图5（b））。此外，研究者还发现，光子海螺所携带的轨道角动量在传播过程中将同时随着空间、时间坐标变化，这种与时空维度均关联的动量密度可以通过计算其局域场的正则动量密度进行表征。

        总结与展望

        这项研究首次在环形光学时空涡旋中观察到手性对称性的破缺，不仅深化了我们对光学涡环的理解，还可能通过揭示更广泛的物理系统中类似的波动现象来推动其他领域的发展。未来，是否可以利用光子海螺实现手性光-物质相互作用是一个有趣的开放性问题。此外，这项研究为利用光子海螺的几何手性进一步实现微粒的复杂操控提供了可能性，也为其用于光通信等应用创造了条件。通过继续深入研究这些复杂的光学现象，我们期待在科学和工程的多个领域实现更多创新和突破。

        该论文的共同第一作者是南京大学副研究员陈伟博士和毕业生刘袁博士，通讯作者为南京大学陆延青教授及苏州大学陈林森教授、乔文教授。南京大学胡伟教授给予了重要的支持。南京大学博士研究生于安卓、曹瀚对本文亦有重要贡献。本工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持，并得到人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室等平台的大力支持。