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近日，我校物理学院王秉中教授课题组在无线电研究领域取得重要进展。通过理论和实验研究，他们在光和微波频段同时产生了一种单周期手性脉冲——螺旋脉冲。该研究结果以“Observation of helical pulses”为题，发表在Nature Communication。电子科技大学为论文第一完成单位，王任教授为第一作者和通讯作者，南洋理工大学申艺杰助理教授为共同通讯作者。
过去我们熟悉的“涡旋波”、OAM光束等都有螺旋相位，但它们仍然只是波前空间扭曲的波束。而螺旋脉冲更为特殊——它们是在时间和空间维度共同扭成的单周期脉冲。螺旋脉冲具有四大特征：（1）时空不可分离：不同空间点对应不同频率，是一种“时空纠缠波包”；（2）单周期：理想螺旋脉冲只有一个时间周期；（3）螺旋拓扑结构：场分布随时间推进沿空间方向形成三维螺旋；（4）可具有纵向场成分：突破传统“横电磁波”限制。理论上，麦克斯韦方程组的空时不可分离解早在1989年就由 Ziolkowski 提出，2004年Lekner给出具有螺旋性质的解，但由于实验难度极高，尤其是需要产生极宽带、完美时空耦合的结构，因此螺旋脉冲从未被真正生成。
图1 光学螺旋脉冲产生方案
图2 微波螺旋脉冲产生方案
在该工作中，王任等人采用两种完全不同的物理机制，分别在光学与微波领域都成功产生了螺旋脉冲。在光频段，该工作通过偏振分解将之前发现的“环形脉冲”（toroidal pulse）中的螺旋结构“抽取”出来。环形脉冲本身就是一个时空不可分离的拓扑波包。利用其内部的左/右旋成分，经过圆偏振片+线偏振片的两步转换，就能“拆出”一个准线偏振的光学螺旋脉冲。在微波频段，该工作提出了另一种完全不同的生成机制：利用超宽带单馈双臂螺旋天线直接辐射出螺旋脉冲。这相当于让天线本身成为一个“拓扑波包发生器”。基于微波方案，该团队生成了真正意义上的单周期螺旋脉冲，其场分布展现出双瓣横向极化螺旋 + 四瓣纵向极化螺旋的三维结构，在传播中时空不可分离性不断增强，实验、仿真与理论高度一致。
本研究提出的螺旋脉冲产生方法，在现代无线系统中具有巨大的应用潜力。首先，该研究让20年前的经典电磁理论首次被实验验证：螺旋脉冲曾被认为是“存在于方程，但难以存在于现实”的波。如今首次在两个频段产生，实验证明其真实可控。其次，该研究打开了超高速通信的全新维度：螺旋脉冲同时携带“拓扑+时空调制”信息，有望突破传统通信的容量极限。特别是空间-频率一一对应的特性，可以用于超高密度信息复用、抗干扰通信、非衍射式高速链路等。再次，该研究有望助力拓扑电磁场、超快物理、精密操控等前沿方向发展。最后，该研究提供了“电磁时空结构”的新平台：螺旋脉冲是测试时空不可分离行为的典型波包，将成为电磁场调控的新基础单元。
近两年，王秉中教授课题组开辟了拓扑微波新方向，并已取得丰硕的研究成果：首次产生了微波电磁飞环[Appl. Phys. Rev. 11, 031411 (2024)]、混合涡环[Sci. Adv. 11, eads4797 (2025)]，并将拓扑微波用于超分辨定位[Commun. Phy. 7, 356 ( 2024)]。这些工作虽然重点关注微波频段，但其在整个电磁频段具有广泛的影响力，其中，混合涡环研究工作被美国光学学会遴选为2025年全球30大突破性进展。
编辑：王晓刚 / 审核：李果 / 发布：陈伟
