液晶“甜甜圈”结构在微型腔中发出的新型激光

本文介绍了一项在光学领域的重要突破：研究人员首次在液晶微腔中实现了基于‘环状缺陷’（toron）的轨道角动量（OAM）激光。toron是一种特殊的液晶拓扑结构，形似微型甜甜圈，能在光子微腔中形成天然的光学陷阱。研究发现，当这种结构嵌入微腔后，液晶分子方向的空间变化会等效产生一种‘实空间非阿贝尔规范场’——这类似于物理学中描述基本相互作用的抽象场，但此处作用于光的偏振（即‘自旋’），而非带电粒子。该规范场导致了一个反常现象：通常能量最低的基态本应不携带OAM（即光波前无螺旋扭曲），但在本系统中，基态反而具有非零OAM，而激发态能量更高——即发生了‘能级顺序翻转’。实验通过叉形干涉图样明确证实了激光光束中心存在相位奇点，证明其确实携带OAM；同时，左右旋圆偏振光的干涉图案呈镜像对称，说明两种偏振态携带符号相反的OAM。理论模型成功复现了这一现象，并指出其物理本质类似于电子在强磁场中形成的朗道能级，但这里是由非阿贝尔‘类磁场’驱动的。此外，研究还展示了通过外加电压动态调控toron尺寸，从而控制OAM激光开关——当toron足够大时，系统进入‘拓扑非平庸’态，稳定输出OAM激光；尺寸过小则激光消失。这项工作不仅为小型化、可调谐的OAM光源提供了全新方案，更首次在光子系统中清晰演示了非阿贝尔规范场的物理效应，对基础物理探索和未来光通信、光镊、量子信息等应用具有重要意义。