湖南
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。
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。
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。
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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