新加坡南洋理工大學（NTU Singapore）的科學家們透過復興一項已有超過200年歷史的經典光學實驗，發現了一種更簡單的方法來產生被稱為光學斯格明子的特殊光結構。
光學斯格明子是光的性質中形成的微小且穩定的旋渦狀圖案，其結構常被比喻為刺蝟的刺。由於它們有潛力用於編碼和儲存資訊，研究人員視其為未來資料儲存、通訊和計算技術的有希望的基礎元件。
南洋理工大學團隊並未依賴傳統上需要的昂貴且高度工程化的超材料，而是透過將雷射光照射在一個小圓形圓盤上來產生光學斯格明子。這種方法大幅簡化了製造、研究及控制這些複雜光結構的過程。
該研究成果發表於《Optica》期刊，由南洋理工大學物理與數學科學學院及電機電子工程學院的助理教授沈一杰領導。
沈助理教授表示：「令人驚訝的是，現在可以利用光繞射繞過物體的簡單效應來產生光學斯格明子，無需依賴昂貴且複雜的人造超材料或高度專業技術。」
「這將使光學斯格明子對研究人員更為親近。降低創造與研究它們的技術門檻，為科學家探索未來光學、材料及計算研究的應用開啟新可能。」
經典光學現象的新用途
這項突破基於波瓦松點（Poisson spot）現象，該現象指當一個圓形物體被相干光源（如雷射）照射時，該物體陰影中心會出現一個明亮點。
波瓦松點在19世紀初光的本質辯論中扮演重要角色。當時科學家質疑光是否僅以粒子形式沿直線傳播，或是如波動般能彎曲與擴散。
波動理論預測在圓盤陰影中心應該會出現明亮點，而非完全黑暗。觀察到波瓦松點提供了光繞射的有力證據，證明光在繞過物體或通過狹縫時會彎曲與擴散。
同時產生四種光學斯格明子
研究團隊還發現，他們的波瓦松點實驗裝置自然同時產生多達四種相關的拓撲場模式，包括旋轉斯格明子（spin skyrmions）、斯托克斯斯格明子（Stokes skyrmions）、電場斯格明子與磁場斯格明子。旋轉指光的旋轉類性質，而斯托克斯參數描述光的偏振，即光波振動方向。
同時產生這四種斯格明子，為科學家提供了在同一光場中比較不同光學斯格明子形成、演化及相互作用的獨特機會。
電腦模擬顯示這些結構如旋轉的箭頭陣列，展示光的不同性質如何在波瓦松點中改變方向。
更簡單的複雜光控制方式
光具有多種可操控特性，包括強度、相位、偏振、旋轉及其電場與磁場向量。
這些特性可排列成拓撲結構，即即使被拉伸或扭曲仍保持穩定的圖案。透過調整塑造光場的條件，科學家有望精確控制光學斯格明子的大小、形狀與行為。
沈助理教授表示：「在我們創造的光斑中，數種光學向量可同時形成拓撲結構。這些光的不同組成部分彼此緊密相連，但不一定形成相同的拓撲圖案。」
「能在一個系統中產生並比較多種斯格明子，有助於研究人員發現光的電、磁及其他物理性質間的新關聯。」
計算與光子學的潛在應用
斯格明子最初在粒子與核物理中被提出，後來成為凝態物理與磁性材料的重要研究領域。近年來，科學家開始研究光學斯格明子，視其為存在於光場中的穩定粒子狀結構。
早期製造光學斯格明子的方法依賴超材料，即人工設計的微觀結構，能以傳統材料無法達成的方式操控光。
南洋理工大學團隊以更簡單的光學裝置取代複雜系統，讓光學斯格明子研究更易普及。此發現也為未來拓撲光學研究奠定基礎，並可能推動光子學、先進材料、資訊處理及下一代計算技術的發展。
