光中的量子流:物理学家发现卡门涡街的光学模拟

诸平

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An artistic impression of a vortex-ring street analog to the structure of magnetic field of a NDSTP, where the right- and left- handed vortex rings were highlighted by blue and red, respectively. Credit: Yijie Shen, Nikitas Papasimakis, and Nikolay I. Zheludev

据《科技日报》（SciTechDaily）网站2024年6月30日报道来自中国科学院长春光学精密机械研究所（Changchun Institute of Optics, Chinese Academy of Sciences简称CAS）提供的消息，光中的量子流:物理学家发现卡门涡街（Kármán Vortex Streets简称KVS）的光学模拟（Quantum Flows in Light: Physicists Discover Optical Analog to Kármán Vortex Streets）。

卡门涡街(KVS)，一个有组织的漩涡模式，展示了美学之美和巨大的力量，从博洛涅(Bologne)鼓舞人心的绘画到影响塔科马峡谷桥（Tacoma Narrow Bridge）等桥梁设计。最近的研究已经探索了KVS的光学类似物，揭示了在光-物质相互作用和电信方面的潜在应用。

KVS是一种以旋涡为特征的高度有组织的经典流型。它通常包括两个漩涡序列，每一个都从身体的两侧出现，具有相反的循环符号。这一现象以其美学之美和巨大的力量而闻名。

艺术启发科学（Art Inspiring Science）

在意大利博洛涅的圣多米尼克教堂（Church of St Dominic in Bologne, Italy）的博物馆里，有一幅画描绘了圣克里斯托弗（St. Christopher）抱着婴儿耶稣过河。画家描绘了圣克里斯托弗光脚后面交错的漩涡。

西奥多·冯·卡门（Theodore von Kármán）表示，他对漩涡街道的研究受到了这幅画的启发。这代表了科学与人文的迷人交集。

旋涡街的历史影响（Historical Impact of Vortex Streets）

1940年，一座名为塔科马峡谷桥(Tacoma Narrow bridge)的悬索桥仅用了四个月就建成了，但由于设计不当而产生了漩涡街道，导致了振动和共振，因此遭到了破坏。这一事件标志着人类第一次认识到KVS的巨大力量。

2024年6月7日在《自然通讯》（Nature Communications）杂志在线发表的一篇来自新加坡和英国的物理学家合作完成的论文——Yijie Shen, Nikitas Papasimakis, Nikolay I. Zheludev. Nondiffracting supertoroidal pulses and optical "Kármán vortex streets". Nature Communications, 2024, 15, Article number: 4863. DOI: 10.1038/s41467-024-48927-5. Published Date: 7 June 2024. https://www.nature.com/articles/s41467-024-48927-5. 此文报道了KVS的光学模拟。这个光学KVS脉冲揭示了流体传输和结构光的能量流之间迷人的相似之处。

研究见解和未来应用（Study Insights and Future Applications）

上述研究报告的第一作者、新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）的沈义杰（Yijie Shen音译）说:“我们介绍了一种光脉冲，其场结构与西奥多·冯·卡门旋涡街有一个有趣的相似之处，这是一种在流体和气体动力学中观察到的旋涡模式，它负责风中悬挂的电话线的“歌唱”。结构光在凝聚态物质中表现出一种坚固的斯格明子拓扑结构（topological structure of skyrmions）。

与早期关于光学斯格明子光束（optical skyrmionic beams）和脉冲的研究形成鲜明对比的是，非衍射超环形脉冲（non-diffracting supertoroidal pulses简称NDSTPs）中的斯格明子场结构不受衍射的限制，并且在任意距离上传播时仍然存在。我们预计NDSTPs将激发诸如光-物质相互作用、超分辨率显微镜以及计量学（metrology）等潜在应用。”

斯格明子是一种复杂的拓扑粒子，最初由托尼·斯克姆（Tony Skyrme）在1962年提出，作为核子的统一模型，其行为就像具有壮观纹理的纳米级磁漩涡（nanoscale magnetic vortices）。迄今为止，在自由空间中所有已知的光学斯格明子都不传播或只存在于焦点周围，并且在传播时迅速坍缩。

然而，由于本文提出的光脉冲在传播过程中不扩散，因此这种斯格明子场结构（skyrmionic field structures）可以在KVS脉冲传播中持续存在。该脉冲允许研究电磁斯格明子场（electromagnetic skyrmionic fields）的传播动力学，并将作为信息传输应用的定向能量通道。

流体流动中的KVS与脉冲之间的类比，可以通过考虑电子沿着横向磁脉冲的涡旋街的运动或脉冲在非线性介质中的传播来进一步得出。

潜在的技术创新（Potential Technological Innovations）

作者预测：“我们相信这些脉冲的深度亚波长奇点（deeply subwavelength singularities）可以应用于计量学（metrology），也可以引起那些研究物质环形激发光谱（spectroscopy of toroidal excitations）的人的兴趣。此外，这些脉冲可以用于以脉冲拓扑特征编码的长距离信息传输，在电信（telecommunications）、遥感（remote sensing）和激光雷达（LiDAR）中具有潜在的应用前景。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Supertoroidal light pulses, as space-time nonseparable electromagnetic waves, exhibit unique topological properties including skyrmionic configurations, fractal-like singularities, and energy backflow in free space, which however do not survive upon propagation. Here, we introduce the non-diffracting supertoroidal pulses (NDSTPs) with propagation-robust skyrmionic and vortex field configurations that persists over arbitrary propagation distances. Intriguingly, the field structure of NDSTPs has a similarity with the von Kármán vortex street, a pattern of swirling vortices in fluid and gas dynamics with staggered singularities that can stably propagate forward. NDSTPs will be of interest as directed channels for information and energy transfer applications.