近日，中國科學技術大學物理學院彭晨暉教授、蔣景華研究員團隊與香港科技大學張銳教授合作，在向列相液晶體系中實現(xiàn)了通過光控拓撲單極子介導的半斯格明子拓撲動態(tài)轉換，并成功將單極子作為載體實現(xiàn)了膠體顆粒的可控輸運。這一成果為拓撲物態(tài)的非平衡調控和微納尺度物質輸運提供了全新途徑。相關研究成果于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撲保護特性的非平庸結構，在信息存儲、自旋電子學和量子計算等領域具有重要應用前景。然而，在單一系統(tǒng)中實現(xiàn)不同拓撲構型之間的可控轉換，并對轉換過程進行實時觀測和動態(tài)調控，是研究者長期追求的目標。特別是由于斯格明子具有拓撲保護的奇異特性，改變其諸如斯格明子數(shù)等拓撲不變量極具挑戰(zhàn)，因此如何實現(xiàn)斯格明子的拓撲轉換已經成為熱點研究方向。

近年來，彭晨暉教授團隊在液晶斯格明子拓撲結構調控方面取得了重要進展，揭示了光場驅動下非平衡態(tài)半斯格明子與半雙半子間的拓撲結構重構機制，并展現(xiàn)了膠體顆粒隨之發(fā)生的動態(tài)自組裝行為，為本工作的開展奠定了堅實基礎。

在本研究中，研究團隊通過在向列相液晶盒中設計具有幾何阻挫的界面圖案，成功在半斯格明子弦中誘導產生了8種不同類型的單極子結構，包括雙曲型、圓形及中間態(tài)的（反）刺猬構型。這些單極子作為拓撲場的源與匯，成為連接不同半斯格明子構型的關鍵橋梁。通過線性偏振藍光（波長455nm）驅動系統(tǒng)脫離平衡態(tài)，研究團隊實現(xiàn)了單極子對之間從吸引到排斥的動態(tài)切換，進而誘導半斯格明子發(fā)生拓撲轉變，如從半奈爾斯格明子（HNS,N sk= -1/2）轉變?yōu)榘敕此垢衩髯樱℉AS,N sk= +1/2）。

尤為重要的是，研究團隊進一步開發(fā)了拓撲單極子的微納操控功能，將其作為微型“搬運工”。在螺旋形半斯格明子弦中，單極子可沿預設軌跡自主運動，并帶動膠體顆粒從中心向邊界（或反向）進行可控輸送，運動速度在0.35-2.32µm/s范圍內可控，且?guī)缀醪皇芰黧w動力學干擾，展現(xiàn)出其在微米尺度貨物輸送中的巨大應用潛力。

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單極子在半斯格明子弦中的運動軌跡及其驅動的膠體自組裝輸運過程

以上結果首次系統(tǒng)揭示了單極子在半斯格明子拓撲轉換中的核心作用，實現(xiàn)了光控下的動態(tài)編程調控，為拓撲物態(tài)的非平衡動力學研究提供了重要范例。審稿人認為，該研究“在無本征手性的向列相液晶中，實現(xiàn)了對三維斯格明子拓撲轉變的重要控制，是一項顯著的進展”。

中國科學技術大學物理學院博士研究生扎吾熱·阿斯了漢、香港科技大學博士研究生唐文滔和中國科學技術大學博士研究生鄭新達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基金、中國科學院百人計劃、安徽省自然科學基金、中國科學技術大學“雙一流”平臺建設經費以及香港研究資助局等項目的大力支持。

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