南开新闻网讯（通讯员 程丹）近日，南开大学陈志刚教授、许京军教授课题组，在光子石墨烯的研究中取得了重要进展：他们首次提出并演示了一种“光学涡旋阶梯”（Optical Vortex Ladder）的概念，通过西西弗斯泵浦（Sisyphus pumping）赝自旋模式，能够逐步生成任意轨道角动量的涡旋光束。这一成果在拓扑光子学、量子通信、量子计算等领域具有诱人的应用前景。该研究成果以“Optical Vortex Ladder via Sisyphus Pumping of Pseudospin”（通过西西弗斯泵浦实现的光涡旋阶梯）为题在线发表在国际重要学术期刊Nature Communications（自然-通讯）上。
光学涡旋因其独特的波前螺旋位错和相位奇点特性，近年来在光学操控、量子信息处理和光通信等领域引起了广泛关注。尽管螺旋相位板、液晶调制器和超表面等器件推动了光学涡旋生成技术的发展，这些技术通常需要复杂的结构设计和制造工艺。拓扑光子学为产生免疫于杂质和缺陷的鲁棒光涡旋模式提供了新途径。
光学涡旋阶梯及光子石墨烯晶格中的赝自旋西西弗斯泵浦示意图
在本工作中，研究人员提出了一种“光学涡旋阶梯”的概念。不同于传统的高斯光激发，研究人员通过具有贝塞尔包络的探测光激发狄拉克锥，实现了光子石墨烯中两个不同赝自旋态的完全转换。并且进一步通过在光子石墨烯中对赝自旋模式进行类似西西弗斯式的泵浦，实现了任意阶数的光涡旋。该方法不依赖于实空间对光束的精准对齐，并且受到动量空间的拓扑保护，有望克服现有技术的局限性。这一创新原理不仅适用于光子石墨烯，还可扩展至Lieb晶格、超蜂窝晶格和硼烯光子晶格等其他类Dirac系统，为拓扑系统中光学涡旋的主动生成和调控开辟了新途径，有望引领轨道角动量在光子学及其相关领域应用技术的发展。
本工作南开大学为第一完成单位，南开大学博士后雷思弘和夏士齐教授为共同第一作者，南开大学陈志刚教授、宋道红教授与克罗地亚萨格勒布大学Hrvoje Buljan教授为共同通讯作者。该研究得到许京军教授的重要指导，得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金会等项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52070-6
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