Thresholdless corner vortex solitons in fractal Sierpinski topological insulators
本文报道了在光子谢尔宾斯基分形高阶拓扑绝缘体中首次实现稳定的、无阈值的拓扑角涡旋孤子，成功地将角动量嵌入到拓扑保护的非线性态中。
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光通常沿直线传播，但当它在特殊材料中运动时，可以被迫遵循结构的边缘或角落，表现出似乎违背常理物理定律的行为。这种行为属于拓扑物理学领域，在该领域中，材料内部结构的形状保护了能量的流动，使其对缺陷或弯曲具有极强的鲁棒性（稳健性）。想象一条河流，无论有多少岩石或碎片掉入其路径，它都能绕过它们并继续前行，而不会停下或散射。在光的领域中，科学家们长期以来一直能够创造这些受保护的边缘路径，但他们一直难以实现更复杂的事情：将光扭转成一个涡旋——一个旋转的能量漩涡——同时仍让其安全地锁定在材料的角落。多年来，每一次试图创造这种旋转角状态的尝试，结果要么导致光发生崩解，要么需要巨大的、精确的功率才能开始形成。
一组研究人员现在通过构建一种形状类似于分形（一种在更小尺度上不断重复自身的图案，就像谢尔宾斯基垫片中复杂的三角形）的新型导光结构，解决了这个难题。他们使用高功率激光在玻璃块上蚀刻出一组微观通道，即波导，并将它们排列成这种自相似的分形图案。通过仔细移动这些通道的位置，他们创造了一个特定的环境，使光能够自然地在三角形的角落处沉降为一种旋转状态。当他们将激光束射入这些角落时，光不仅没有停滞不动，反而形成了一个稳定的、旋转的涡旋，并且在从极暗到极亮的广泛功率范围内都能持续存在。最重要的是，这种旋转状态的出现不需要最低功率阈值即可启动，这在这一类型的材料中是前所未有的成就。
研究人员发现，成功的秘诀在于他们分形玻璃的独特几何结构。在标准材料中，创造涡旋通常需要大量的能量来克服光向外扩散的自然倾向。然而，在他们的分形设计中，结构本身甚至在任何非线性效应介入之前，就为旋转的光提供了一个“家”。他们发现，通过稍微改变通道之间的间距，他们可以创造出居住在同一个角落里的成对等效光态。当他们结合这些状态时，光便自然形成了涡旋。他们通过向三角形阵列的三个角发送带有特定扭转（或称拓扑电荷）的激光脉冲来测试这一点。光被困在那些角落中，围绕着通道间的一个静止中心点旋转，并且即使在他们将激光功率从 0.01 兆瓦变化到 3 兆瓦时，也能保持这种形状。
为了确认光确实是在旋转而非静止不动，科学家们使用了一种称为干涉测量术的技术，该技术涉及将来自器件的光与一束参考光混合，以揭示其隐藏的结构。由此产生的图案显示出明显的叉状形状，这是光携带涡旋的清晰特征。这一观察证明了这种旋转状态并非偶然或临时效应，而是一个稳定的、受拓扑保护的特征。研究人员还注意到，虽然光具有鲁棒性，但旋转的精确形状可以通过改变波导阵列的畸变来进行调节，这为无需机械运动部件的控光方式提供了新途径。
这项工作表明，通过将分形几何原理与拓扑保护规则相结合，可以创造出既旋转又极其稳定的光态。研究结果表明，这些角涡旋孤子可以用于制造新型光学器件，这些器件对损坏或错位具有免疫力。由于光被锁定在角落并携带特定的扭转，它可以被用来编码信息，其方式比当前的方法更难被破坏。团队展示了这种现象并不局限于他们使用的特定玻璃；相同的原理也可以应用于其他系统，如声波甚至原子云，从而为一类新的技术打开了大门，在这种技术中，材料的形状决定了流经其中的能量的行为。
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