研究利用拓扑单极子实现光驱动液晶斯格明子拓扑转换

近日，中国科学技术大学联合香港科技大学，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，并以单极子为载体，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新途径。

斯格明子作为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应用前景。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，是研究人员追求的目标。特别是，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颇具挑战。因此，实现斯格明子的拓扑转换已成为研究热点。

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，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重要桥梁。通过线性偏振蓝光驱动系统脱离平衡态，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转变为半反斯格明子。

团队进一步开发了拓扑单极子的微纳操控功能，并将其作为微型“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，带动胶体颗粒从中心向边界（或反向）进行可控输送，使运动速度在0.35至2.32µm/s范围内可控，且几乎不受流体动力学干扰，展现出在微米尺度货物输送中的应用潜力。

这一研究揭示了单极子在半斯格明子拓扑转换中的重要作用，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范例。

相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会和中国科学院等的支持。

论文链接

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