近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系彭晨暉教授、蔣景華研究員和香港科大張銳教授團隊合作，利用向列相液晶為研究體系實現(xiàn)了斯格明子在拓撲保護下進行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。合作團隊揭示了斯格明子在光場驅(qū)動下處于非平衡狀態(tài)時，半斯格明子(half-skyrmion) 和半雙半子(half-bimeron) 之間的拓撲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換機制。而后展示了具有拓撲缺陷的膠體顆粒在斯格明子轉(zhuǎn)換過程中如同舞動般的自組裝動力學(xué)特性。這項工作為利用凝聚態(tài)材料中非平衡態(tài)斯格明子操控膠體顆粒開辟了新的方向，此工作以“Light-driven dancing of nematic colloids in fractional skyrmions and bimerons”為題發(fā)表于Nature Communications, 16, 1148 (2025)。

斯格明子最初由粒子物理學(xué)家Skyrme 在1961年提出，代表了一種具有拓撲保護結(jié)構(gòu)的三維孤子粒子狀態(tài)。在包括玻色-愛因斯坦凝聚體、量子場、磁性材料和光學(xué)系統(tǒng)在內(nèi)的各種物理系統(tǒng)中已對斯格明子進行了深入的研究。斯格明子的獨特性質(zhì)，如其穩(wěn)定性和非平凡拓撲性質(zhì)，使它們將在下一代數(shù)據(jù)存儲、傳感和光通信中具有廣泛的應(yīng)用。作為一種新興的拓撲結(jié)構(gòu)，斯格明子在二維空間（2D）中呈現(xiàn)出盤狀結(jié)構(gòu)，在三維空間（3D）中呈現(xiàn)出弦狀結(jié)構(gòu)。迄今，已在各種不同材料中發(fā)現(xiàn)諸如斯格明子的反粒子（antiskyrmion）, 分數(shù)斯格明子（meron 和 antimeron）以及分數(shù)斯格明子對（bimeron）等拓撲結(jié)構(gòu)。但在一個斯格明子弦(skyrmion string)中創(chuàng)建不同的拓撲結(jié)構(gòu)并直接利用光學(xué)手段觀察不同三維斯格明子之間的拓撲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。由于液晶體系其內(nèi)在的復(fù)雜性和較大的系統(tǒng)尺寸，其可能為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)提供解決方案。

合作團隊前期在液晶體系中首先揭示了光驅(qū)動活性物質(zhì)三維拓撲結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了各三維拓撲結(jié)構(gòu)間的相互轉(zhuǎn)換（PNAS 119, e2122226119 (2022)）, 利用莫爾效應(yīng)操控復(fù)雜三維拓撲結(jié)構(gòu)（Nature Communications, 15, 1655 (2024)），利用光驅(qū)動三維拓撲結(jié)構(gòu)形變，發(fā)現(xiàn)了光驅(qū)動活性膠體自組裝新機制（PNAS 120, e2221718120 (2023)），闡明了拓撲驅(qū)動膠體糾纏的物理機制（PNAS 121, e2402395121 (2024)）。

在這些前期工作的基礎(chǔ)之上，合作團隊發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種不兼容的拓撲模式間距超過一定距離時，一種新的具有周期性結(jié)構(gòu)的拓撲物態(tài)呈現(xiàn)。結(jié)合理論模擬和實驗驗證，這種拓撲結(jié)構(gòu)是一種三維的半斯格明子。這種半斯格明子可具有四種不同的拓撲結(jié)構(gòu)，即半反斯格明子half-anti-skyrmion（HAS（-1/2，π））和半尼爾斯格明子half-Néel-skyrmion（HNS（-1/2，0））和兩種半尼爾雙半子half-Néel-bimeron（HNB（-1/2，π/2）和HNB（-1/2，-π/2））。當(dāng)三維斯格明子在光驅(qū)動下處于非平衡狀態(tài)時，其拓撲結(jié)構(gòu)按照HNB（-1/2，π/2）、HNS（-1/2，0）、HNB（-1/2，-π/2）、HAS（-1/2，π）和 HNB（-1/2，π/2）的順序進行轉(zhuǎn)換。將具有拓撲缺陷的膠體顆粒置于此斯格明子中時，膠體顆粒呈現(xiàn)出膠體偶極子形態(tài)，此偶極子結(jié)構(gòu)在運動的三維的斯格明子中旋轉(zhuǎn)、被排斥和被吸引。當(dāng)膠體自組裝結(jié)構(gòu)在此斯格明子中時，則呈現(xiàn)kink, coil及旋轉(zhuǎn)等不同的自組裝形態(tài)。具體來說，由于斯格明子中拓撲結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，誘導(dǎo)膠體自組裝結(jié)構(gòu)的可控轉(zhuǎn)換。合作團隊還制備了具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的斯格明子環(huán)，此斯格明子環(huán)可在光驅(qū)動下進行擴張和收縮，膠體顆?？衫@著斯格明子環(huán)進行轉(zhuǎn)動，最終形成jamming結(jié)構(gòu)防止斯格明子的湮滅。最終合作團隊制備了具有“HKUSTC”字樣的任意形狀的斯格明子結(jié)構(gòu)，膠體顆粒在其中形成線狀和zigzag結(jié)構(gòu)的膠體自組裝結(jié)構(gòu)。

通過深入理解拓撲斯格明子的形成和轉(zhuǎn)換機制，合作團隊能夠精確控制斯格明子的結(jié)構(gòu)和運動，并利用其作為信息載體對膠體顆粒進行自組裝和傳輸。此項研究不僅為凝聚態(tài)物理中斯格明子領(lǐng)域開辟了新的方向，而且為智能膠體復(fù)合材料的設(shè)計和開發(fā)提供了新的思路。

圖1.膠體顆粒在不同拓撲結(jié)構(gòu)的斯格明子中形成形態(tài)各異的自組裝結(jié)構(gòu)

此工作實驗部分由中國科大彭晨暉教授、蔣景華研究員團隊完成，理論模擬部分由香港科大張銳教授團隊完成。彭晨暉教授、蔣景華研究員和張銳教授為本文共同通訊作者，中國科大博士生扎吾熱阿斯了漢和香港科大博士生唐文滔為本文共同第一作者。中國科大研究生張婧、王睿潔和石青田，本科生陳子君和宋甘霖為共同作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、中國科大雙一流平臺建設(shè)經(jīng)費、中國科大青年創(chuàng)新重點基金和香港研究資助局的資助。