近日，山东师范大学物理与光电学院、光场调控及应用中心蔡阳健教授团队在国际顶级期刊《Nature Communications》上发表题为“Spatiotemporally localized optical links and knots”的研究论文。山东师范大学为第一完成单位，物理与光电学院博士生周雅宁和上海理工大学张年佳为该论文第一作者，山东师范大学蔡阳健教授、刘欣博士、梁春豪教授，西湖大学詹其文教授和达尔豪斯大学Sergey A. Ponomarenko为通讯作者。
扭结（Knot）是一类广泛存在于人类生活与自然界中的拓扑结构。在数学上，扭结是拓扑学中的经典研究对象，通常定义为三维空间中一条不自交的闭合曲线。其拓扑特性同样广泛存在于物理、生命科学与工程技术中，例如DNA分子的缠绕与解旋、流体中的涡环演化、磁场线重联以及结构光场中的光学扭结等现象。在光学领域，Michael Berry与Mark Dennis等人从理论上提出，可利用涡旋光束传播过程中相位奇点的空间演化轨迹（knotted threads of darkness）构建具有特定拓扑性质的光学扭结结构。然而，现有光学拓扑扭结与链环仍存在一个关键瓶颈：其拓扑轨迹依赖二维横向光场在纵向传播中的逐步形成，即拓扑结构被“冻结”于三维传播空间内，无法随光场整体携带与传输，因此难以作为真正可传输、可操控的拓扑信息载体。
为突破这一瓶颈，团队成员创新性地对Milnor多项式进行了几何化拆分与重构，重新建立了拓扑轨迹的数学表达。新构造的拓扑轨迹由光场强度极大值表征（knotted threads of brightness），其整体拓扑性质与传统“零值轨迹”（knotted threads of darkness）定义的扭结与链环保持一致。在物理实现上，团队将设计的复振幅场映射为实验可产生的傍轴窄带超快光脉冲，并通过引入一对互为共轭、具有相反“轨道”与“自旋”角动量的扭转光涡环（TLVs），成功证明并观测到该时空局域光学拓扑结构。由于该拓扑结构局域于时空脉冲内部，可随脉冲整体传输，并在传播过程中始终保持完整形态与恒定的线交叉数目，即其拓扑不变量保持守恒。该研究为时空光子拓扑结构的构建与调控提供了新方案，在高容量光通信、拓扑加密与信息处理等方向具有潜在应用价值，并有望推动相关研究在量子光学和非线性光学等领域的发展。
该项研究得到了国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划项目课题等多项资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72774-1
