拓扑结构产生的拓扑近场

超材料和超光学为探索物理和光学中的奇异功能提供了广泛的维度。在现在发表在《科学进展》上的一份新报告中，JiePeng和中国香港城市大学的一组物理学和跨学科研究科学家发现了结构的拓扑结构如何决定光场的特性以提供新的维度探索光学功能。

金属结构的非平凡拓扑促进了偏振奇点的诞生，该研究的成果将奇异光学、拓扑光子学和非厄米物理桥用于手性传感、量子光学和光子学的应用。

拓扑和光学结构之间的通用连接

拓扑的概念可以为物理学家探索拓扑绝缘体及其对应物中单向边缘态的非常规性质提供新的视角。偏振椭圆的分布可以形成称为偏振奇点的拓扑缺陷，这种缺陷在诸如超表面和光子晶体等纳米结构中的光聚焦、散射和干涉等应用中出现。光学结构的几何形状仍然可以决定光学模式的局部共振，从而产生新的光学器件，包括纳米天线、超材料和超表面。

在这项工作中，彭等人。在拓扑结构和光学结构之间建立了普遍而精确的联系，以揭示近场磁极化的起源和拓扑演化如何受到结构的拓扑结构和对称性的约束。

受结构表面拓扑结构保护的极化奇点

该团队通过COMSOLMultiphysics使用有限元软件包对该系统进行了全波数值模拟。在实验过程中，他们考虑了一个金属球，该金属球在一个沿z方向传播的平面的入射下，具有沿y方向线性极化的磁场。然后他们确定了总磁场中出现的极化奇点。

Peng和团队进一步试图了解PSL形态的潜在基础，他们在与金属球体几何形状相关的拓扑特性中发现了这一点。例如，入射电磁场的激发在金属结构中感应出电流，主要位于结构的薄表面层中。研究结果建立了光学结构拓扑与光学近场拓扑特性之间的直接联系，适用于具有光滑几何表面和小集肤深度的任意金属结构。结构的拓扑结构进一步保护了极化奇点的出现;因此，它们的特性对于几何结构的持续变化是稳健的。

V点由于镜像对称。(A)V1点由于两条C线与Ipl=+1/2相交。(B)V2点是由于两条Ipl=-1/2的C线相交。偏振椭圆的蓝色(红色)对应于负(正)自旋。V点处xz镜像平面上的颜色显示Arg(Ψ)。(A)和(B)中的粉红色箭头表示自镜对称环上的偏振主轴，显示双扭曲莫比乌斯带。黄色箭头表示C线的方向。学分：科学进展(2022年)。DOI:10.1126/sciadv.abq0910

拓扑和镜像对称与拓扑和广义旋转对称

科学家们注意到，当极化奇点从结构表面延伸到三维空间中的合并、分叉和过渡时，它们是如何进一步演变的。该团队检查了偏振奇点的拓扑转变，并通过讨论镜像对称和拓扑的组合效应进一步检查了偏振奇点的性质。

研究结果强调了空间对称性对产生在非对称中无法稳定存在的拓扑复杂极化配置的重要性。研究人员注意到，在没有对称保护的情况下，高阶极化奇点和极化奇点线通常是不稳定的，无法在扰动下转变为最低阶。

通过这种方式，JiePeng及其同事展示了金属结构拓扑与近场磁极化奇点线之间的直接关系。该研究强调了与光学结构的特定材料或几何形状无关的光学偏振场的奇异拓扑特性。结果与极化奇点以及结构的拓扑对称性和非厄米物理学有关。

该研究为在手性量子光学和拓扑光子学中的传感应用中识别手性对应物的基础探索开辟了新的机会。该团队设想将这些结果扩展到经典波浪系统，包括声波和水面波。