类夸克的分数轨道角动量模式

《Science Bulletin》：Quark-like modes of fractional orbital angular momentum

　　

王晓凡|张白辉|肖文|尹宇航|马宏如|陈焕阳

摘要

轨道角动量（OAM）为基于波的信息处理扩展了希尔伯特空间。虽然整数轨道角动量（FOAM）具有稳定性，但分数轨道角动量（FOAM）存在内在的拓扑不稳定性，在自由空间中会分解。传统的k空间拓扑结构仅能保护本征模式，而无法保护非本征模式的FOAM。我们通过引入光共形映射方法，构建了一个实空间拓扑框架，从而克服了这一限制。通过调控拓扑连接性，我们将不连续的分数相位转化为全局稳定的、带有整数电荷的复合态，这一过程在概念上类似于夸克的禁闭现象。我们在弹性弯曲波平台上对这一机制进行了实验验证。这项工作建立了一种通用方法，可以将拓扑保护从k空间的本征模式扩展到实空间的非本征模式，为操控不同波系统（从声学到集成光子学）中的分数涡旋提供了灵活的框架。