光涡旋是一种具有量子化轨道角动量的拓扑缺陷，在高维度光通信、量子信息学、光力学、拓扑光子学等领域具有重要的应用价值。在具有非线性相互作用的光流体（如玻色爱因斯坦凝聚态和超导态）中产生的量子化涡旋承袭了光流体的非线性，展现出涡旋之间相互作用的物理现象。而线性光场中的涡旋，如自由空间中的高阶高斯光束，则被普遍认为是没有相互作用的。

近日，西安交通大学电信学部物理电子与光电子技术研究所李峰教授团队发现在线性光流体中通过构造适当的光学势能结构以及选择合适的激发方式，即可创造出能够展现相互作用特征的涡旋，而其过程不需要非线性相互作用。

研究人员首先利用热铷原子介质中的电磁诱导透明效应，通过三束光小角度干涉构建了具有光学石墨烯结构的空间波导阵列。通过激发光学石墨烯的狄拉克锥点处的特定赝自旋，产生具有轨道角动量的光涡旋。研究人员发现，此类光涡旋在产生和演化过程中，其涡旋中心的运动轨迹呈现出摆线式、相互环绕等一系列看似相互作用的粒子才具备的特征，然而这些特征是源于光在石墨烯结构中的特定演化过程，与非线性相互作用无关。有趣的是，此类运动轨迹无法用动量空间中狄拉克锥点附近的狄拉克方程描述，而必须通过求解覆盖整个动量空间的薛定谔方程才能准确描述。这一点完美反映了量子力学中的海森堡不确定原理：欲确定涡旋中心的准确位置及其轨迹，则需要考察更大范围的动量分布及其变化。这项工作揭示了狄拉克方程在涡旋动力学应用中的局限性，建立了量子流体、奇点光学和拓扑光学之间的共同联系。

上述研究成果发表在国际顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。李峰教授和张彦鹏教授为共同通讯作者，张朝阳副教授为第一作者，西安交通大学为该论文的第一完成单位，该项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等及多项欧洲科学基金的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.233905