拓撲缺陷在物理學上通常指場分布無法連續形變、物理量無法定義的特殊點，也稱為奇點，在渦旋或拓撲結構中普遍存在。拓撲缺陷在宇宙學、流體動力學、空氣動力學、聲學以及生物學等學科領域也十分常見，并在某些應用中起著重要作用。近年來，探索拓撲結構的電磁類比在光學和光子學中引起了極大興趣。在集成光子學領域，微納波導是構建集成光子芯片的基本單元，倏逝場耦合是調控片上光路的重要手段。然而，當波導倏逝場發生耦合時近場自旋會如何演化，一直以來很少有人關注。

針對此疑問，湖南大學物理與微電子科學學院方良副教授等人研究了波導倏逝場耦合所表現出的偏振橢圓與自旋演化現象。研究發現，由于耦合引入的固有相位差，波導倏逝場原本平凡的橫向自旋會轉變為非平凡的拓撲自旋結構，表現為自旋場的渦旋或反渦旋態，并存在奇點，如圖所示。該自旋拓撲態，是由波導固有的內在橫向自旋與因耦合產生的外在縱向自旋共同作用的結果。縱向自旋分量在橫向方向上呈反對稱分布，當與耦合波導上下表面相反的橫向自旋相連接時，就形成了反渦旋的拓撲態。進一步研究發現，高階模的場分布因在橫向方向上存在多個節點，在周期性耦合的情況下會形成自旋拓撲陣列。這一有趣的自旋現象拓展了光的拓撲學研究范疇，有望為集成光子平臺多功能光子激發以及光與物質相互作用等前言研究提供新思路。

該研究成果以“Topological Spin States in 3D Coupled Electromagnetic Fields”為題在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發表。湖南大學物理與微電子科學學院為論文唯一單位，方良副教授為第一作者兼通訊作者，項元江教授、陳欽俊副教授以及文雙春教授為論文合作者。該研究得到了國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費等項目資助。