近日，芬兰阿尔托大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种在准晶体结构中实现高拓扑荷激光发射的技术。这种技术可以在非晶格对称的准晶体中，通过巧妙的设计实现高达±19的拓扑荷激光发射。该工作以“High topological charge lasing in quasicrystals”为题，发表在《Nature Communications》上。
在这项研究中，研究团队探索了准晶体结构中的电磁场节点，设计了以高拓扑荷为特征的光发射模式。他们在准晶体中布置了损耗性的金属纳米粒子，这些粒子通过特定的群论设计确定的节点排布，能够在增益介质下产生高拓扑荷的光束。这种设计突破了二维布拉维晶格的局限，首次在实验上实现了多达±19的拓扑荷激光模式。这项研究不仅揭示了更高阶拓扑缺陷的独特性质，也为未来的平面全方位激光及拓扑光学研究奠定了基础。
图1：光模式示意图。
拓扑缺陷的独特性和设计难题
拓扑缺陷在自然界的量子场和经典场中广泛存在，它们的相位绕行只能是整数，因而在微小扰动下仍具稳定性。过去的研究在周期性晶格中最多实现了q=±3的拓扑荷光束发射，而更高阶的拓扑荷发射需要不具晶格对称性的准晶体结构来实现。
本研究团队使用了八、十和十二重旋转对称的准晶体结构，使得拓扑荷q的绝对值能达到3或以上。通过金属纳米粒子产生的欧姆损耗，他们有效控制了模式能量，从而实现了高拓扑荷的激光发射。这一设计不仅仅是常见的五边形或十边形平面结构，而是通过计算和实验验证，实现了具有最高拓扑荷的复杂结构。
实验与理论的双重验证
实验结果显示，在充足的泵浦光激发下，准晶体样本展示出极为丰富的激光发射结构。激光发射图谱中形成了两个高度定向的光环，周围围绕着不同角度发射的有序光束。这种复杂的模式直接来源于准晶体在倒易空间中的衍射峰，其分布比传统晶格更为密集，形成了多种不同的拓扑荷模式。
为了验证实验结果，团队还通过数值模拟计算了结构中电偶极子的电场衍射模式和极化态。这些模拟结果不仅在振幅上与实验相符，还揭示了极化相位结构中相邻拓扑荷的分布规律。这种相位结构在理论上形成了由+1和-1的涡旋核组成的有序结构，解释了实验中观测到的拓扑荷的叠加和变化。
未来应用及研究前景
这种高拓扑荷激光发射的新突破，不仅为光学中实现更高拓扑荷的光束提供了可能性，也为拓扑光学和拓扑物质之间的相互作用研究提供了丰富的实验平台。由于不同拓扑荷的激光模式可以在空间上分离，未来可以通过空间阻挡实现对特定拓扑荷的光束选择，进一步推动在光通信、光捕获和传感等领域的应用。此外，这项研究的设计原理并不限于等离子体系统，未来有望推广至具有增益介质的光子晶体材料及其他成熟的半导体增益系统，为研究拓扑光场与物质的相互作用提供了丰富的可能性。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53952-5
