Vortex solitons in disclination quasicrystals
本文提出了一类具有可调离散旋转对称性的位错准晶体，通过丰富线性谱以支持具有独特强度和相位分布的稳定、无阈值涡旋孤子，从而扩展了拓扑形变光子结构中的局域化理论。
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光通常沿直线传播，但当它在特殊材料中运动时，可以被引导成螺旋状扭转，携带一种被称为轨道角动量的旋转能量。这些被称为涡旋态的扭转光束非常迷人，因为它们能以普通光无法实现的方式携带信息或能量。然而，保持这些脆弱螺旋结构的稳定性非常困难；它们在传播过程中往往会发生解体或破碎。科学家们长期以来一直在寻找能够作为这些光束“保护轨道”的材料。一种极具前景的候选材料是准晶体，这是一种具有高度有序结构，但既不像普通晶体那样具有重复的平铺模式，也不像气体那样完全随机的材料。准晶体的独特之处在于，它们处于完美秩序与完全混沌之间，提供了一个复杂的景观，能以令人惊叹的方式捕获并引导光线。
多年来，研究人员一直在研究光在这些材料中的行为，但他们一直受限于一种特定的、刚性的模式，即彭罗斯平铺（Penrose tiling）。这种模式具有固定的对称性，这意味着该材料只有在旋转特定角度时看起来才保持不变，例如五角星形状。这种固定的本质限制了所能支持的各类光螺旋的种类。现在，一组研究人员发现了一种打破这一局限性的方法。通过在准晶体中特意引入一种被称为“位错”（disclination）的特定结构缺陷，他们可以重塑材料的对称性。这使他们能够创造出一类新的材料，用以支持具有不同对称性的稳定扭转光束，为更灵活地控制光开辟了大门。
研究人员从一种标准的、非周期性的光导通道模式开始，这种模式类似于一张永远不会完全重复的道路地图。在原始地图中，道路的排列形成了五重对称性。为了改变这一点，团队模拟了一个过程：移除或添加一个楔形切片，然后拉伸或压缩剩余的结构以填补空隙。想象一下，从一个派中切掉一块并把饼皮拉拢在一起，或者增加一个切片并将饼皮推开。这个简单的几何调整——他们称之为位错——从根本上改变了材料的特性。它使他们能够创造出具有四重、六重甚至七重对称性的结构，从而有效地调节材料以匹配不同光模式的需求。
当他们分析光在这些新的变形结构中如何移动时，发现材料可以支持两种截然不同的稳定光螺旋。在其中一种类型中，构成螺旋的明亮光点会完美同步地脉动；而在另一种类型中，这些光点则会以相反的方式脉动。至关重要的是，这些光模式可以自然形成并保持稳定，而不需要高功率的起始条件。在许多其他材料中，创建此类稳定的光结构需要大量的能量来启动，这是一个被称为“功率阈值”的障碍。在这些位错准晶体中，只要光进入，光螺旋就会自然出现，因此它们是“无阈值”的。这是一个显著的优势，意味着这些设备可以使用更弱的光源工作。
团队还发现，这些光螺旋的稳定性取决于材料的对称性。他们发现，光束在具有四重或五重对称性的结构中最稳健。随着对称性增加到六重或七重，光保持稳定的条件范围变得更窄。这表明，虽然更高阶的对称性是可能的，但它们也更加脆弱。研究人员测试了这些光束在面对缺陷（这在现实世界的制造中是不可避免的）时的表现。他们模拟了光导通道位置和深度的微小误差。即使存在这些缺陷，光螺旋仍基本保持完整，特别是当材料的自然非线性（即其根据光的变化而改变自身属性的能力）处于活跃状态时。非线性起到了一种稳定力量的作用，纠正了由缺陷引起的畸变，并保持了螺旋形状的完整。
这项工作表明，通过有意地使准晶体发生形变，科学家可以设计出支持多种稳定扭转光束的材料。通过调节材料的对称性，工程师们有可能创造出针对特定任务（如高效传输数据或能量）定制的光学器件。研究结果表明，这些位错准晶体不仅仅是理论上的奇特现象，它们可以作为未来依赖于精确控制光之轨道角动量技术的实用平台。研究证实，这些结构可以使用现有技术（如激光直写）来构建，且其支持的光态足够稳健，足以在现实世界的制造缺陷中生存下来。
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