近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院彭晨暉教授、蔣景華研究員團(tuán)隊(duì)與香港科技大學(xué)張銳教授合作，在向列相液晶體系中實(shí)現(xiàn)了通過光控拓?fù)鋯螛O子介導(dǎo)的半斯格明子拓?fù)鋭?dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，并成功將單極子作為載體實(shí)現(xiàn)了膠體顆粒的可控輸運(yùn)。這一成果為拓?fù)湮飸B(tài)的非平衡調(diào)控和微納尺度物質(zhì)輸運(yùn)提供了全新途徑。相關(guān)研究成果于10月16日以“Monopole-mediated light control of half skyrmion topology in nematic liquid crystals”為題發(fā)表在《自然·通訊》上。

斯格明子作為一種具有拓?fù)浔Ｗo(hù)特性的非平庸結(jié)構(gòu)，在信息存儲(chǔ)、自旋電子學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。然而，在單一系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同拓?fù)錁?gòu)型之間的可控轉(zhuǎn)換，并對(duì)轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測和動(dòng)態(tài)調(diào)控，是研究者長期追求的目標(biāo)。特別是由于斯格明子具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的奇異特性，改變其諸如斯格明子數(shù)等拓?fù)洳蛔兞繕O具挑戰(zhàn)，因此如何實(shí)現(xiàn)斯格明子的拓?fù)滢D(zhuǎn)換已經(jīng)成為熱點(diǎn)研究方向。

近年來，彭晨暉教授團(tuán)隊(duì)在液晶斯格明子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)控方面取得了重要進(jìn)展，揭示了光場驅(qū)動(dòng)下非平衡態(tài)半斯格明子與半雙半子間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重構(gòu)機(jī)制，并展現(xiàn)了膠體顆粒隨之發(fā)生的動(dòng)態(tài)自組裝行為，為本工作的開展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過在向列相液晶盒中設(shè)計(jì)具有幾何阻挫的界面圖案，成功在半斯格明子弦中誘導(dǎo)產(chǎn)生了8種不同類型的單極子結(jié)構(gòu)，包括雙曲型、圓形及中間態(tài)的（反）刺猬構(gòu)型。這些單極子作為拓?fù)鋱龅脑磁c匯，成為連接不同半斯格明子構(gòu)型的關(guān)鍵橋梁。通過線性偏振藍(lán)光（波長455nm）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)脫離平衡態(tài)，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了單極子對(duì)之間從吸引到排斥的動(dòng)態(tài)切換，進(jìn)而誘導(dǎo)半斯格明子發(fā)生拓?fù)滢D(zhuǎn)變，如從半奈爾斯格明子（HNS,N sk= -1/2）轉(zhuǎn)變?yōu)榘敕此垢衩髯樱℉AS,N sk= +1/2）。

尤為重要的是，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了拓?fù)鋯螛O子的微納操控功能，將其作為微型“搬運(yùn)工”。在螺旋形半斯格明子弦中，單極子可沿預(yù)設(shè)軌跡自主運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)膠體顆粒從中心向邊界（或反向）進(jìn)行可控輸送，運(yùn)動(dòng)速度在0.35-2.32µm/s范圍內(nèi)可控，且?guī)缀醪皇芰黧w動(dòng)力學(xué)干擾，展現(xiàn)出其在微米尺度貨物輸送中的巨大應(yīng)用潛力。

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單極子在半斯格明子弦中的運(yùn)動(dòng)軌跡及其驅(qū)動(dòng)的膠體自組裝輸運(yùn)過程

以上結(jié)果首次系統(tǒng)揭示了單極子在半斯格明子拓?fù)滢D(zhuǎn)換中的核心作用，實(shí)現(xiàn)了光控下的動(dòng)態(tài)編程調(diào)控，為拓?fù)湮飸B(tài)的非平衡動(dòng)力學(xué)研究提供了重要范例。審稿人認(rèn)為，該研究“在無本征手性的向列相液晶中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維斯格明子拓?fù)滢D(zhuǎn)變的重要控制，是一項(xiàng)顯著的進(jìn)展”。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院博士研究生扎吾熱·阿斯了漢、香港科技大學(xué)博士研究生唐文滔和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生鄭新達(dá)為文章的共同第一作者，彭晨暉教授、蔣景華研究員和張銳教授為文章的共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院百人計(jì)劃、安徽省自然科學(xué)基金、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“雙一流”平臺(tái)建設(shè)經(jīng)費(fèi)以及香港研究資助局等項(xiàng)目的大力支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64188-2