近些年来，维度的概念已经成为当代物理学和技术不同领域的一个核心固定因素。虽然对低维材料和结构的研究是富有成效的，但拓扑学的快速发展已经发现了更多潜在的有用现象，这些现象取决于系统的维度，甚至超越了我们周围世界的三个空间维度。但是在科学研究中，由于三维物理世界的限制，往往难以研究三维以上的物理系统的性质及演化特性。

创造一种“合成维度”，是量子模拟的重要工具。例如，在一个三维系统中引入两个人工合成维度，就可以在该系统上研究五维的物理性质。合成维度使得在低维设备中利用高维概念成为可能，并降低了复杂性，同时也推动了关键设备的功能。

涡旋光子携带的轨道角动量数目原理上可以无限，是构建人工合成维度的理想载体。中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、许金时、韩永建等人在基于人工合成光子轨道角动量维度实现量子模拟的方案这一方向上进行了长期的实验探索，先后搭建了基于平面镜、球面镜和椭球面镜的简并光学腔，实现腔内超过46阶轨道角动量模式的谐振。

研究团队在此基础上，创造性地在驻波简并腔中引入具有各向异性的液晶相位片，实现腔内涡旋光子轨道角动量和光子自旋的耦合。腔内光子所携带的轨道角动量是整数分立的，与一维离散晶格相对应。因此携带不同轨道角动量的光子可以等效为位于不同晶格格点上的准粒子，并通过自旋自由度将具有不同轨道角动量的光子耦合起来，从而模拟粒子在不同晶格格点之间的来回跃迁。

结合共振能谱探测技术，研究组直接刻画了该自旋轨道耦合系统的态密度和能带结构，并利用该实验装置优异的可调谐性能，清晰展现了周期性驱动系统能带打开和闭合的演化过程。研究组进一步引入不同的演化时序，系统地研究了不同拓扑结构的特性并探测到拓扑绕数。

该项研究证明了利用涡旋光子固有自旋和轨道角动量作为人工合成维度的可行性，为研究丰富的拓扑物理系统提供了一个高度紧凑的实验平台。研究成果4月19日发表在国际期刊《自然·通讯》上。

关键词： 轨道角动量 在此基础上 拓扑结构