你有沒有想過,未來手機信號之所以不再斷連、視頻通話不再卡頓,可能要歸功于一種“甜甜圈形狀”的光?聽起來很奇幻,但科學家們正在把這一構想變為現實。2026年1月,天津大學與新加坡南洋理工大學的聯合研究團隊宣布,他們成功利用一種特殊設計的超薄材料,首次在自由空間中生成并自由切換兩種“渦旋光”——它們的電磁場像龍卷風一樣旋轉,形成穩定的環形結構,酷似一個發光的甜甜圈。這種被稱為“斯格明子”(skyrmion)的光結構,因其超強抗干擾能力,有望徹底改變下一代無線通信的可靠性。
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當前的無線信號(如5G、Wi-Fi)主要依靠電磁波的強度或頻率來編碼信息。但在復雜環境中——比如高樓林立的城市、金屬反射強烈的地鐵站,或者多人同時聯網的演唱會現場——信號極易發生多徑干擾、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“拓撲結構”來攜帶信息。簡單說,就是不再只看光有多亮或多快,而是看它“怎么轉”。
研究人員設計了一種名為“非線性超構表面”(nonlinear metasurface)的納米級芯片,厚度不到一根頭發絲的百分之一。當特定偏振模式的近紅外激光脈沖照射到這塊芯片上時,它會瞬間轉換成太赫茲波段的“甜甜圈光”——其電場或磁場沿著環形路徑螺旋前進,形成高度穩定的拓撲結構。更厲害的是,通過調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:一種是電場主導的“電斯格明子”,另一種是磁場主導的“磁斯格明子”。這就像用兩把不同的鑰匙,打開兩個獨立的信息通道。
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為什么這種“甜甜圈光”更可靠?因為它具有拓撲保護性——這是物理學中的一個神奇特性:只要整體結構不被徹底破壞,局部擾動(如障礙物遮擋、空氣擾動)幾乎不會影響其形態。打個比方,普通電磁波像一張紙,一折就皺;而斯格明子光像一個橡皮圈,你怎么拉扯它,它始終是個環。正因如此,它能在嘈雜環境中保持信號完整性,極大降低誤碼率。
這項技術瞄準的是太赫茲通信——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,理論上可實現每秒Tbps級的傳輸速度。但它的短板也很明顯:傳播距離短、穿透力差、易受環境干擾。而甜甜圈狀的渦旋光恰好能彌補這些缺陷——其能量集中在環形軌道上,方向性強,且多個不同“旋轉方向”或“拓撲模式”的光束可在同一頻率下疊加傳輸,相當于在一條高速公路上開辟多條獨立車道,大幅提升頻譜效率。
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實驗中,團隊搭建了一套超快太赫茲成像系統,實時捕捉了光脈沖在空間中傳播的全過程,清晰驗證了兩種斯格明子模式的存在和切換可靠性。結果顯示,信號模式純度高,切換響應快,完全滿足未來通信需求。
當然,目前還處于實驗室階段。下一步,科學家計劃將這套系統微型化、集成化,并探索更多可切換的拓撲態,以支持更復雜的信息編碼。項目負責人韓家廣教授表示:“我們的目標不是取代現有技術,而是為未來高密度、高移動性、高可靠性的無線網絡提供一種全新的‘抗干擾語言’。”
想象一下,在未來的智慧城市中,自動駕駛汽車通過這種穩定光信號實時交換路況;遠程手術機器人依靠它精準執行指令;甚至你的AR眼鏡也能在擁擠商場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的“光之甜甜圈”。
科學有時就是這樣:最前沿的突破,往往藏在一個看似簡單的形狀里。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
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