2026年6月23日——新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的科学家利用一种名为“泊松光斑”的经典光学现象，创造出了被称为“光学斯格明子”的稳定光图案。

光学斯格明子是光属性中微小且呈旋转状的构型——类似于刺猬身上的尖刺。

研究团队使用激光照射一个小圆形圆盘，而非通常用于生成这些斯格明子的复杂且昂贵的人造材料。

这种新方法为科学家提供了一种更简单的方式来生成、研究和调整光学斯格明子。

斯格明子目前是一个热门的科学课题，因为它们具有存储信息的潜力，为未来的数据存储、通信和计算系统铺平了道路。

这项发现发表在著名科学期刊《Optica》上，由南洋理工大学物理与数学科学学院和电气与电子工程学院的南洋助理教授沈怡杰领导。

沈助理教授解释说：“令人瞩目的是，现在可以利用光绕物体弯曲这种简单效应来生成光学斯格明子，而无需依赖昂贵、复杂的人造超材料或高度专业化的技术。”

“这可能会让研究人员更容易获得光学斯格明子。通过降低生成和研究它们的技术门槛，该方法为科学家探索如何在未来光学、材料和计算研究中使用它们开辟了新的可能性。”

利用历史性实验推动现代光子学

泊松光斑是一种亮点，出现在用相干光源（如激光）照射圆形物体时其阴影的中心。

这个现象在19世纪初成为一场争论的核心，争论焦点是光究竟是像粒子一样只沿直线传播，还是能像波一样弯曲和扩散。

如果光以波的形式传播，那么在圆盘阴影的中间（通常预期为黑暗处）应该会出现一个亮点，而泊松光斑正是一项里程碑式的实验，展示了光的衍射及其波动行为。

光衍射是指光在绕过物体或穿过小孔时发生的弯曲和扩散现象。

同时生成多种斯格明子结构

研究人员还发现，泊松光斑系统可以同时生成多达四种相关的拓扑场图案。

这些包括自旋斯格明子、斯托克斯斯格明子、电场斯格明子和磁场斯格明子。自旋描述了光类似旋转的属性，而斯托克斯参数则描述了其偏振态，即光波在传播过程中振动的方向。

这种“四合一”行为可能使研究人员能够研究不同光学斯格明子如何在相同光场内形成、变化和相互作用。

在研究人员进行的模拟中，这些结构表现为箭头的旋转排列，展示了光的各种属性如何在泊松光斑中改变方向。

光有许多科学家可以塑造的属性，包括其强度、相位、偏振、自旋以及电场和磁场矢量。

这些属性提供了在光中形成拓扑结构的不同方式，这些结构即使在拉伸或扭曲时也能保持不变。

通过改变塑造光场的条件，科学家可以获得对斯格明子尺寸、形状和行为的更大控制。

沈助理教授说：“在我们创造的光斑中，多种类型的光矢量可以同时形成拓扑结构。这些光的不同组成部分紧密相连，但它们不一定形成相同的拓扑图案。”

“能够在一个系统内生成并比较多个斯格明子，可能有助于研究人员发现光的电场、磁场及其他物理属性之间新的联系。”

知识的未来应用

斯格明子最初在粒子物理和核物理中被提出，后来在凝聚态物理和磁性材料中得到研究，而最近在光子学领域，它们作为光场中稳定、类似粒子的图案出现。

以往的研究使用超材料来生成光学斯格明子，超材料是人工设计的微型结构，旨在以普通材料无法实现的方式控制光。

这项基础性发现为拓扑光的进一步研究奠定了基础，并可能支持光子学、先进材料、信息处理和计算等领域的未来物理学应用。