电磁新突破：混合电磁环形涡旋（HETVs）的创新之旅

为解决电磁环形涡旋相关问题，研究人员开展混合电磁环形涡旋（HETVs）研究，成功生成 HETVs，具重要应用潜力。

　　

在神奇的自然世界里，环形涡旋（toroidal vortices，也叫涡旋环 vortex rings）的身影无处不在。它们像是大自然的神秘舞者，以各种奇妙的形态出现在我们身边。从水中美丽的气泡环，到空中袅袅升起的烟圈，再到天空中巨大的蘑菇云，环形涡旋的踪迹遍布各个角落。甚至在微观的生物世界里，像鞭毛虫的运动、孢子的传播，还有蒲公英种子的飞行；以及宏观的自然现象，如积云的形成、水滴的飞溅，乃至人体心脏中的血液流动，都有它们活跃的身影。这种独特的拓扑准粒子结构，吸引了众多科学家的目光，引发了多个科学领域的广泛研究。

在电磁学的领域中，科学家们此前已经提出了两种独立的电磁环形涡旋：矢量（vector）和标量（scalar）电磁环形涡旋。矢量电磁环形涡旋，就像是一群有序排列的 “磁力线舞者”，由相邻的电场或磁场线组成，在远离光轴的地方勾勒出一个环形表面；而标量电磁环形涡旋，则像是一位 “相位魔法师”，能在环形表面沿着极向坐标诱导出 2π 的相位变化，从而形成带有横向轨道角动量（OAM）的光学涡旋。然而，以往的研究一直认为这两种涡旋是相互独立的，真的是这样吗？

为了探索这个问题，来自相关研究机构的研究人员踏上了探索之旅。他们提出了一种全新的电磁环形脉冲 —— 混合电磁环形涡旋（hybrid electromagnetic toroidal vortices，HETVs），并成功找到了用配备径向超表面的同轴喇叭天线来产生这种特殊脉冲的方法。这项研究成果发表在了Science Advances期刊上，为电磁学领域带来了新的曙光。

研究人员在研究过程中，运用了多种关键技术方法。他们利用印刷电路板技术制作了带有特定结构的超表面子阵列，精心挑选了合适的基板材料，其厚度、相对介电常数和损耗角正切都经过精确设计。对于空间电磁场的测量，研究人员在平面微波暗室中大展身手，借助矢量网络分析仪，搭配矩形波导探头和单极探头，分别精准获取了横向和纵向电场分量的数据。通过频率域测量方法采集数据后，再利用逆傅里叶变换重建出时间域的场，从而全面了解 HETV 发生器的电磁特性。

下面让我们深入了解一下研究的具体成果：

• HETVs 的生成方案：HETV 的产生装置主要由同轴喇叭发射器和特别设计的径向超表面组成。同轴喇叭发射器能够发射径向极化的电磁波，而径向超表面则像是一个 “魔法转换器”，可以将径向极化波转化为包含标量环形涡旋的波。超表面子阵列的传输函数有着特定的表达式，其独特的结构是由两个不对称的超表面单元组成，每个单元又由带有两个相反方向 C 形铜箔的基板构成。通过精心设计，当入射脉冲在 2 - 2.2GHz 范围内时，径向超表面就能将径向极化的电磁波在每个径向位置转化为时空涡旋，进而形成标量环形涡旋。标量环形涡旋的奇点和径向极化相互作用，诱导出鞍点，最终形成矢量环形涡旋，二者在拓扑结构和时空位置上相互耦合，就形成了 HETV。

• 生成的 HETVs 的标量和矢量环形涡旋性能：研究人员通过模拟和实验双重验证，成功展示了 HETVs 的独特性能。从 3D 等强度轮廓来看，HETV 脉冲的径向极化电场分量呈现出明显的环形结构，涡旋核心也清晰可见。在相位方面，各个切片都呈现出 2π 的螺旋相位，这有力地证明了 OAM 的存在，而且在理论、模拟和测量中，每个光子的 OAM 数值都稳定在一定范围内。在 2D 时空电场分布中，出现的叉形图案更是明确显示出涡旋奇点的存在。在矢量场分布上，HETVs 展现出了丰富的特征，不仅有鞍点和涡旋环，还具备了和矢量环形涡旋相似的斯格明子（skyrmion）拓扑结构，斯格明子数（Nsk）约为 ±1。更为神奇的是，在涡旋奇点周围几个半波长的范围内，多个矢量环形涡旋相互连接，形成了电磁涡旋街道，这一现象此前从未被实验观测到。

在研究结论和讨论部分，研究人员提出的 HETVs 为电磁学领域打开了新的大门。这种独特的拓扑脉冲具有涡旋街道、斯格明子和横向 OAM 等奇特的电磁特征，其产生方法为后续研究提供了新的思路。研究人员还设想可以将这一概念拓展到其他类型的 HETVs，例如利用方位极化的同轴喇叭天线和圆周超表面产生横向电微波环形脉冲，并且有望将这种方法推广到太赫兹和光学频率范围。HETVs 独特的拓扑保护特性，使其在通过扰动区域传播时具有优势，在结构化波前工程、拓扑非平凡的光 - 物质相互作用、高精度传感和成像等领域都展现出了巨大的应用潜力。

总之，这项关于 HETVs 的研究成果意义重大，不仅打破了以往对电磁环形涡旋的认知，还为电磁学领域的未来发展开辟了广阔的道路，让我们对电磁世界的奇妙现象有了更深入的理解。