自旋拓撲結構，如電子體系中的磁斯格明子(magnetic skyrmion)，由于其良好的穩定性及新奇的動力學特性，被認為是未來實現高速度，高密度，低能耗磁（自旋）存儲器件的基本單元，受到了學術界的廣泛關注。與之對應的是，光子也攜帶自旋信息并且擁有與電子類似的自旋拓撲特性。近年來，我校微納光電子學研究院納米光子學研究中心的杜路平教授、袁小聰教授在光子體系中的自旋拓撲結構研究中取得了一系列創新性成果，研究工作相繼發表在《Nature Physics》、《PNAS》等國際頂級期刊，開辟了光學自旋拓撲結構這一新興學科方向，并已逐漸成為當下的一個重要研究熱點。

近日，由杜路平教授、袁小聰教授領導的科研小組在前期工作的基礎上進一步開展相關研究，在物理學頂級期刊 《Physical Review Letters》上發表了題為《Photonic spin lattices: Symmetry constraints for skyrmion and meron topologies》的研究論文。該論文深入探討了不同對稱性下的光學自旋-軌道耦合與自旋拓撲結構之間的聯系。深圳大學微納光電子學研究院納米光子學研究中心杜路平教授和袁小聰教授為論文的共同通訊作者，雷欣瑞博士與楊愛萍副研究員為共同第一作者，深圳大學是第一單位和第一通信單位。

在凝聚態體系中，晶體各向異性能和相鄰自旋磁矩的耦合作用決定了不同磁疇結構的形成，如磁性斯格明子(skyrmion)、半子(meron)等，而光學自旋拓撲的形成機理尚未得到有效的論證。該研究表明，由于旋轉對稱性破缺，六角及四角對稱下的近場自旋-軌道耦合將分別形成Abrikosov及Staggered型的能流渦旋分布。根據廣義的自旋-動量綁定，兩種能流結構分別對應光學自旋skyrmion及meron陣列（圖1）。同時，通過求解方形邊界下能量哈密頓量的極值，可以得到與理論預測一直的自旋meron結構。該研究揭示了自旋拓撲光子學新物理，為光學體系下的自旋拓撲特性的研究提供了新思路，在光學位移傳感、磁疇檢測、量子技術等領域具有重大的應用前景。

圖1 不同對稱性下的自旋拓撲結構

項目支持：廣東省科技廳，廣東省基礎與應用基礎研究重大項目，2020B0301030009，超高時空光場調控與成像基礎研究，2020/11/29-2025/11/28，4500萬，在研，主持

國家自然科學基金委員會，聯合基金集成項目，U1701661，面向高性能計算的柱矢量光束光互聯基礎研究及關鍵器件與系統，2018/1/1-2021/12/31，1210萬，在研，主持

深圳市科技創新委員會，杰出青年項目， RCJC20200714114435063，近場自旋光子技術：基礎、表征與應用，2021/04/01-2026/04/01，450萬元，在研，主持

深圳市科技創新委員會，孔雀團隊項目，KQTD20170330110444030，超靈敏生物傳感成像技術研發團隊，2018/3/1-2023/2/28，2000萬，在研，主持

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.237403