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为论文第一作者；山东师范大学蔡阳健教授、青年教师刘欣、梁春豪教授，西湖大学詹其文教授和达尔豪斯大学Sergey A. Ponomarenko为论文通讯作者。

扭结是一类典型的拓扑结构，广泛存在于自然现象与人类活动之中。从数学角度看，扭结通常被定义为三维空间中一条不发生自交的闭合曲线，是拓扑学的重要研究内容。类似的拓扑构型也普遍出现在多个学科领域，例如DNA的缠绕与解链、流体中的涡旋演化、磁场线重联以及结构光中的光学拓扑结构等。在光学中，Michael Berry、Mark Dennis等人提出，可通过涡旋光束传播过程中相位奇点轨迹的演化（knotted threads of darkness）实现具有特定拓扑性质的光学扭结与链环。然而，传统光学拓扑结构的形成依赖于横向光场在传播方向上的逐步演化，其拓扑轨迹本质上固定于三维传播空间中，难以随光脉冲整体携带与传输。因此，这类结构尚无法作为真正意义上可传输、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