当孩子们把彩泥搓成圆环、捏出一只甜甜圈时，他们其实在无意中复制了自然界最迷人的拓扑之一：环形（toroid）。一个多世纪以来，理论家猜测光本身也能拥有这样的“甜甜圈”结构，但直到最近，它才真正“飞”出纸面，成为可在实验室里产生、传播并测量的实体。2022 年 7 月，《自然·光子学》背靠背发表了两项独立实验：一项由英国南安普顿大学 Nikolay Zheludev 团队完成，另一项由上海理工大学詹其文小组完成。本文聚焦于前者——他们利用纳米超表面，首次在可见光到太赫兹波段产生了“环形光脉冲”，为四维结构光写下浓墨重彩的一笔。
一、教科书之外的“更高阶”光
传统电磁波被描述为横波：电场与磁场彼此垂直，且都垂直于传播方向。环形光则要求两者同时“打圈”——电场沿圆环内圈绕行，磁场沿外圈绕行（或反之）。这种矢量拓扑无法由简单的偶极辐射产生，必须借助“环形多极子”（toroidal multipole）作为辐射源。然而，天然材料几乎不存在这种高阶多极响应，于是“人造原子”——金属纳米结构——成为唯一可行的出口。
二、超表面：把“空间”和“时间”绑在一起
Zheludev 团队设计了一块径向金环超表面：
- 环宽从中心向外逐渐递增，对应共振波长沿径向“红移”；
- 用径向偏振光束照射，使每一条半径方向上的偏振矢量只看到一维光栅；
- 环宽梯度引入“空间-频率”耦合，脉冲在传播中自然形成空间-时间不可分离态——即四维结构光。
在光学波段，他们先用液晶偏振转换器把 800 nm 飞秒激光变为径向偏振，再让其透过超表面；在太赫兹波段，则直接用线偏振脉冲非线性激发超表面，一步同时产生径向偏振与波长扫描。两种方案均得到“飞起来的甜甜圈”：环形能量分布、矢量场绕圈、相位呈螺旋。
三、如何看见“甜甜圈”？
环形脉冲的表征是另一大挑战。团队动用了“十八般武艺”：
- 传统干涉仪测得脉冲时域包络；
- 高光谱成像记录空间-频率联合分布；
- 受量子层析启发，采用“空间-时间不可分离度”量化指标，最终重构出矢量场三维分布。
综合结果显示，实验与理论吻合度达 80%，足以令人信服地宣告：这是真正的环形电磁脉冲，而非普通涡旋光或矢量光束的“伪装”。
四、与“ scalar甜甜圈”的同台竞技
几乎同一时间，詹其文小组采用“共形折叠”策略，把光场从柱状拓扑映射成环形，得到标量环形脉冲。区别在于：Zheludev 版是“矢量环形”，电场/磁场方向绕环；詹版是“标量环形”，仅振幅与相位呈环形分布。两者异曲同工，共同证明：只要巧妙设计初值边界，光就能按人类绘制的拓扑飞行。
五、下一步：让“甜甜圈”落地
目前两项实验仍停留在“原理证明”阶段，尚未展示实际应用。然而，理论预言已为环形光插上想象力的翅膀：
- 新光谱学：空间-时间不可分离态对局域介电环境极度敏感，可望成为“四维指纹”探测器；
- 量子比特：环形拓扑携带的稳健相位可用于编码高维量子信息；
- 基础物理：环形电磁势可诱发新型 Aharonov–Bohm 效应，检验拓扑量子电动力学。
更值得期待的是，超表面工艺与激光整形技术正在突飞猛进，厘米级、低成本、可集成的“甜甜圈发射器”或许就在不远的未来。
结语
从孩童手中的彩泥，到纳米尺度的金环，人类用结构化的物质叩开了结构化光的大门。环形脉冲的诞生不仅填补了电磁拓扑家族的一块空白，更提醒我们：只要敢于跳出教科书的二维横波图像，光的世界依旧惊喜连连。下一次，当你咬下一口甜甜圈时，不妨想象一下——也许就在那一刻，实验室里正有一只“光的甜甜圈”悄无声息地掠过探测器，带着人类对四维时空的新认知，飞向更远的光子学前沿。
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