未來6G靠它？天津大學(xué)用“光漩渦”破解信號(hào)干擾難題

你有沒有想過，未來手機(jī)信號(hào)之所以不再斷連、視頻通話不再卡頓，可能要?dú)w功于一種“甜甜圈形狀”的光？聽起來很奇幻，但科學(xué)家們正在把這一構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。2026年1月，天津大學(xué)與新加坡南洋理工大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們成功利用一種特殊設(shè)計(jì)的超薄材料，首次在自由空間中生成并自由切換兩種“渦旋光”——它們的電磁場(chǎng)像龍卷風(fēng)一樣旋轉(zhuǎn)，形成穩(wěn)定的環(huán)形結(jié)構(gòu)，酷似一個(gè)發(fā)光的甜甜圈。這種被稱為“斯格明子”（skyrmion）的光結(jié)構(gòu)，因其超強(qiáng)抗干擾能力，有望徹底改變下一代無線通信的可靠性。

當(dāng)前的無線信號(hào)（如5G、Wi-Fi）主要依靠電磁波的強(qiáng)度或頻率來編碼信息。但在復(fù)雜環(huán)境中——比如高樓林立的城市、金屬反射強(qiáng)烈的地鐵站，或者多人同時(shí)聯(lián)網(wǎng)的演唱會(huì)現(xiàn)場(chǎng)——信號(hào)極易發(fā)生多徑干擾、衰減甚至中斷。而這次新提出的方案，走的是完全不同的路：用光的“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”來攜帶信息。簡(jiǎn)單說，就是不再只看光有多亮或多快，而是看它“怎么轉(zhuǎn)”。

研究人員設(shè)計(jì)了一種名為“非線性超構(gòu)表面”（nonlinear metasurface）的納米級(jí)芯片，厚度不到一根頭發(fā)絲的百分之一。當(dāng)特定偏振模式的近紅外激光脈沖照射到這塊芯片上時(shí)，它會(huì)瞬間轉(zhuǎn)換成太赫茲波段的“甜甜圈光”——其電場(chǎng)或磁場(chǎng)沿著環(huán)形路徑螺旋前進(jìn)，形成高度穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。更厲害的是，通過調(diào)整入射激光的偏振方式，他們能在這塊小小的芯片上按需切換兩種模式：一種是電場(chǎng)主導(dǎo)的“電斯格明子”，另一種是磁場(chǎng)主導(dǎo)的“磁斯格明子”。這就像用兩把不同的鑰匙，打開兩個(gè)獨(dú)立的信息通道。

為什么這種“甜甜圈光”更可靠？因?yàn)樗哂?strong>拓?fù)浔Ｗo(hù)性——這是物理學(xué)中的一個(gè)神奇特性：只要整體結(jié)構(gòu)不被徹底破壞，局部擾動(dòng)（如障礙物遮擋、空氣擾動(dòng)）幾乎不會(huì)影響其形態(tài)。打個(gè)比方，普通電磁波像一張紙，一折就皺；而斯格明子光像一個(gè)橡皮圈，你怎么拉扯它，它始終是個(gè)環(huán)。正因如此，它能在嘈雜環(huán)境中保持信號(hào)完整性，極大降低誤碼率。

這項(xiàng)技術(shù)瞄準(zhǔn)的是太赫茲通信——被視為6G乃至7G的核心頻段。太赫茲波頻率極高（0.1–10 THz），帶寬巨大，理論上可實(shí)現(xiàn)每秒Tbps級(jí)的傳輸速度。但它的短板也很明顯：傳播距離短、穿透力差、易受環(huán)境干擾。而甜甜圈狀的渦旋光恰好能彌補(bǔ)這些缺陷——其能量集中在環(huán)形軌道上，方向性強(qiáng)，且多個(gè)不同“旋轉(zhuǎn)方向”或“拓?fù)淠Ｊ健钡墓馐稍谕活l率下疊加傳輸，相當(dāng)于在一條高速公路上開辟多條獨(dú)立車道，大幅提升頻譜效率。

實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)搭建了一套超快太赫茲成像系統(tǒng)，實(shí)時(shí)捕捉了光脈沖在空間中傳播的全過程，清晰驗(yàn)證了兩種斯格明子模式的存在和切換可靠性。結(jié)果顯示，信號(hào)模式純度高，切換響應(yīng)快，完全滿足未來通信需求。

當(dāng)然，目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段。下一步，科學(xué)家計(jì)劃將這套系統(tǒng)微型化、集成化，并探索更多可切換的拓?fù)鋺B(tài)，以支持更復(fù)雜的信息編碼。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人韓家廣教授表示：“我們的目標(biāo)不是取代現(xiàn)有技術(shù)，而是為未來高密度、高移動(dòng)性、高可靠性的無線網(wǎng)絡(luò)提供一種全新的‘抗干擾語言’。”

想象一下，在未來的智慧城市中，自動(dòng)駕駛汽車通過這種穩(wěn)定光信號(hào)實(shí)時(shí)交換路況；遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人依靠它精準(zhǔn)執(zhí)行指令；甚至你的AR眼鏡也能在擁擠商場(chǎng)里流暢加載虛擬信息——而這一切的背后，都是一束束在空中旋轉(zhuǎn)的“光之甜甜圈”。

科學(xué)有時(shí)就是這樣：最前沿的突破，往往藏在一個(gè)看似簡(jiǎn)單的形狀里。而這一次，人類或許真的要靠“甜甜圈”，打通通往無縫連接世界的最后一公里。

參考資料：“Electric-Magnetic-Switchable Free-Space Skyrmions in Toroidal Light Pulses via a Nonlinear Metasurface” 29 January 2026, Optica.
DOI: 10.1364/OPTICA.578501