中国科大利用拓扑单极子实现光驱动液晶斯格明子拓扑转换

近日，中国科学技术大学物理学院彭晨晖教授、蒋景华研究员团队与香港科技大学张锐教授合作，在向列相液晶体系中实现了通过光控拓扑单极子介导的半斯格明子拓扑动态转换，并成功将单极子作为载体实现了胶体颗粒的可控输运。这一成果为拓扑物态的非平衡调控和微纳尺度物质输运提供了全新途径。相关研究成果于10月16日以“Monopole-mediated light control of half skyrmion topology in nematic liquid crystals”为题发表在《自然·通讯》上。

斯格明子作为一种具有拓扑保护特性的非平庸结构，在信息存储、自旋电子学和量子计算等领域具有重要应用前景。然而，在单一系统中实现不同拓扑构型之间的可控转换，并对转换过程进行实时观测和动态调控，是研究者长期追求的目标。特别是由于斯格明子具有拓扑保护的奇异特性，改变其诸如斯格明子数等拓扑不变量极具挑战，因此如何实现斯格明子的拓扑转换已经成为热点研究方向。

近年来，彭晨晖教授团队在液晶斯格明子拓扑结构调控方面取得了重要进展，揭示了光场驱动下非平衡态半斯格明子与半双半子间的拓扑结构重构机制，并展现了胶体颗粒随之发生的动态自组装行为，为本工作的开展奠定了坚实基础。

在本研究中，研究团队通过在向列相液晶盒中设计具有几何阻挫的界面图案，成功在半斯格明子弦中诱导产生了8种不同类型的单极子结构，包括双曲型、圆形及中间态的（反）刺猬构型。这些单极子作为拓扑场的源与汇，成为连接不同半斯格明子构型的关键桥梁。通过线性偏振蓝光（波长455nm）驱动系统脱离平衡态，研究团队实现了单极子对之间从吸引到排斥的动态切换，进而诱导半斯格明子发生拓扑转变，如从半奈尔斯格明子（HNS,N sk= -1/2）转变为半反斯格明子（HAS,N sk= +1/2）。

尤为重要的是，研究团队进一步开发了拓扑单极子的微纳操控功能，将其作为微型“搬运工”。在螺旋形半斯格明子弦中，单极子可沿预设轨迹自主运动，并带动胶体颗粒从中心向边界（或反向）进行可控输送，运动速度在0.35-2.32µm/s范围内可控，且几乎不受流体动力学干扰，展现出其在微米尺度货物输送中的巨大应用潜力。

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单极子在半斯格明子弦中的运动轨迹及其驱动的胶体自组装输运过程

以上结果首次系统揭示了单极子在半斯格明子拓扑转换中的核心作用，实现了光控下的动态编程调控，为拓扑物态的非平衡动力学研究提供了重要范例。审稿人认为，该研究“在无本征手性的向列相液晶中，实现了对三维斯格明子拓扑转变的重要控制，是一项显著的进展”。

中国科学技术大学物理学院博士研究生扎吾热·阿斯了汉、香港科技大学博士研究生唐文滔和中国科学技术大学博士研究生郑新达为文章的共同第一作者，彭晨晖教授、蒋景华研究员和张锐教授为文章的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院百人计划、安徽省自然科学基金、中国科学技术大学“双一流”平台建设经费以及香港研究资助局等项目的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64188-2