早稻田大学等联合团队：光斯格明子驱动磁斯格明子多模式运动 | 前沿进展

近日，早稻田大学研究团队联合上海理工大学、香港中文大学（深圳）、香港科技大学和新加坡国立大学，研究了光学斯格明子与磁性斯格明子之间的动力学相互作用。研究发现，光学斯格明子可驱动磁性斯格明子产生旋转、跳跃和旋轮线三类特征运动，其中跳跃方位可由光学斯格明子的螺旋度确定性调控。相关成果以“Magnetic skyrmion interacting with optical skyrmion”为题在线发表于Physical Review Letters。论文共同第一作者为早稻田大学薄岚博士和上海理工大学陈建副教授；通讯作者为香港中文大学（深圳）周艳教授、新加坡国立大学仇成伟教授和早稻田大学望月维人教授。（论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/hylp-trxp）

近年来，随着结构光和拓扑光子学的发展，“斯格明子”这一原本广泛研究于磁性体系中的拓扑概念也被引入光场。通过对光束偏振、相位和轨道角动量进行空间设计，Stokes矢量可以在光束横截面形成具有非零拓扑荷的光学斯格明子。与普通环形光束相比，这类光场不仅具有特定的强度分布，还携带空间变化的矢量偏振、相位以及轨道/自旋角动量，因此为光与磁性拓扑结构之间的相互作用提供了更多可编程自由度。

本工作利用两个具有不同轨道角动量、彼此正交圆偏振的Laguerre–Gaussian（LG）模式相干叠加，构造光学斯格明子，并研究其对单个磁性斯格明子的驱动。磁化动力学通过微磁模拟进行描述，同时结合Thiele方程分析不同光学自由度在磁性斯格明子运动中的作用。

图1 光学斯格明子的构造及其与磁性斯格明子的耦合示意

研究发现，同一光学斯格明子即可诱导磁性斯格明子产生三类截然不同的运动——旋转（rotation）、跳跃（skipping）和旋轮线运动（trochoidal motion）。其中，光强梯度主要提供径向束缚，使磁性斯格明子保持在环形轨道附近；轨道角动量（OAM）产生持续的方位角驱动，使其绕光束中心旋转；自旋角动量（SAM）则参与进动式调制，并与更复杂的局域振荡有关。

在特定参数下，磁性斯格明子会在原本近圆形的轨道上突然产生明显径向偏移，随后重新返回轨道，形成skipping；进一步降低阻尼后，局域小环叠加在整体公转之上，形成类似“轮中轮”的旋轮线轨迹。由此，同一拓扑结构光场便可以支持多种磁性动力学模式。

图2 光学斯格明子驱动磁性斯格明子的三类典型轨迹：旋转、跳跃和旋轮线运动

其中最具特色的是skipping的空间选择性。研究发现，这种跳跃并不是由随机涨落或固定缺陷决定的。改变构成光学斯格明子的两束LG模式之间的相对相位，可以连续调节光学斯格明子的内部螺旋度；与此同时，磁性斯格明子的跳跃方位也会沿轨道发生系统移动。

理论分析进一步给出了无需拟合参数的解析关系，揭示了光学螺旋度与磁性斯格明子跳跃方位之间的确定性锁定关系，不同类型的磁性斯格明子还表现出可预测的方位偏移。这相当于建立了一种从光学相位到磁性轨迹的空间信息映射：调节光场内部相位，不只是改变运动速度或轨道半径，而是可以直接选择磁性斯格明子在什么位置发生特定动力学响应。

图3 光学斯格明子螺旋度对磁性斯格明子跳跃方位的“空间编码”

为什么普通的环形光强难以产生同样的效果？关键在于光学斯格明子的矢量偏振与相位纹理。沿磁性斯格明子的主要运动轨道，光强可以近似保持方位角对称，但局域偏振状态却随方位角连续变化。因此，磁性斯格明子与局域光场之间的耦合具有明显的空间非均匀性，只会在特定方位产生较强的径向响应。进一步的数值结果也表明，光学斯格明子能够在均匀磁化薄膜中激发明显具有方位不对称性的多瓣自旋波，而单一LG模式的响应则更加对称，进一步体现了其矢量光场结构的重要性。

这种轨迹调控还可以从二维横截面扩展到真实的三维传播。由于构成光学斯格明子的两个LG模式具有不同阶数，它们在传播过程中会积累不同的Gouy相位，从而使两束光之间的相对相位以及光学斯格明子的内部纹理随传播距离z连续演化。

模拟结果显示，磁性斯格明子的skipping方位也因此沿传播方向连续移动，并与差分Gouy相位给出的解析预测高度吻合。这意味着调控参数不再局限于光强、OAM、SAM 或初始相位，“光传播了多远”本身也可以成为控制磁性轨迹的自由度。

图4 光学斯格明子传播过程中磁性斯格明子轨迹的三维演化

该工作建立了一个连接“拓扑光场”与“拓扑磁粒子”的动力学框架。光学斯格明子不只是提供驱动能量，还能够将自身携带的角动量、偏振和相位信息映射到磁性斯格明子的运动轨迹中，为非接触、螺旋度选择和相位可编程的光磁操控提供了新的物理思路。

编辑 | 徐睿