斯格明子(skyrmion)，最早在高能物理中以一种拓扑孤立子的概念被提出，后来被广泛应用到凝聚态物理中。由于其优异的稳定性和动力学特性，磁斯格明子被认为是下一代高速、高密度、低能耗磁存储器件的重要技术突破口。对应的，由光的自旋角动量形成的光学自旋斯格明子与磁斯格明子有类似的拓扑特性，近年来，我校微纳光电子学研究院纳米光子学研究中心的杜路平教授、袁小聪教授在光子体系中的自旋拓扑结构研究中取得了一系列创新性成果，继课题组首次发现光学自旋斯格明子结构以来，研究工作相继发表在《Nature Physics》、《PNAS》、《Physical Review Letters》、《Light：Science & Applications》等国际顶级期刊，促进了光学斯格明子这一新兴研究方向的发展，目前该方向已逐渐成为光场调控领域的一个重要研究热点。

此前对光学斯格明子等新型拓扑自旋纹理的研究局限于周期性条件，相比之下，对任意旋转对称性的研究具有更普遍的意义，具有更高对称性的准晶提供了更多自由度和更高维度，能产生更复杂的拓扑结构，并能揭示出一系列在周期性光学自旋体系中受对称性限制而不存在的异常现象。近日，由杜路平教授、袁小聪教授带领的工作团队在前期工作的基础上取得了重要原创成果，首次揭示了光子自旋准晶的形成和调控机理，该成果发表在国际顶级期刊《Science Advances》，论文题为“Photonic quasicrystal of spin angular momentum”，林旻副研究员为论文的第一作者，杜路平教授为论文通讯作者，深圳大学（微纳光电子学研究院&射频异质异构集成全国重点实验室）为文章的唯一完成单位。

准晶具有独特的结构对称性，相比于周期结构只能具有二重、三重、四重和六重旋转对称性，二维准晶具有除此之外的任何重数的旋转对称性。准周期光学自旋纹理是通过多束倏逝波的干涉产生的，而光学自旋角动量可以视为每束倏逝波电场相互作用的结果。以N=5为例，该相互作用只能在最近邻和次近邻的近场光束之间产生，因此该系统有两套波矢。光子自旋准晶的产生过程在理论上符合广义对偶法产生数学准晶的过程。以N=5为例，平面上有五组等间距的平行线，它们之间只存在两种锐角夹角，因此线与线之间的交点可以定义出两种基本组成图案，将它们拼起来则构成准晶结构。当N为其他奇数该对应关系也成立。此外，光子自旋准晶的构型可通过引入额外相位调整倏逝波的波前进行操控，其与广义对偶法通过调整平行线偏移量实现数学准晶构型操控的理论相吻合。

图1 光子自旋准晶形成过程与广义对偶法产生准晶的对应关系

综上所述，该研究成果提出与数学准晶原理相符的理论框架，全面阐释了具有任意对称性的光子自旋准晶的形成和调控机制，在准晶制备、加密编码、新型光镊等众多领域具有应用前景。该理论框架还可扩展到其他物理系统，可在如流体、弹性波、声子体系、引力波等各种经典波中构建多种拓扑自旋准晶结构，深入探索波与物质相互作用。

该研究成果链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adv3938

该研究得到广东省基础与应用基础研究重大项目，国家自然科学基金项目，广东省教育厅普通高校创新团队项目，深圳市科技创新委员会项目，深圳大学科研团队培育项目等的支持。