中国科大在液晶中实现多场可控斯格明子环与单极子的拓扑成核

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，实现了室温下分数斯格明子环以及拓扑单极子的可控成核，并证实该过程可通过光、电场、局域加热三种方式精准触发。相关成果以“Multistimuli-Controlled Topological Nucleation of Skyrmion Loops and Monopoles in Liquid Crystals” 为题，于2026年5月12日发表于Physical Review Letters，并被选为编辑推荐论文与Physics特色报道。

拓扑孤子是凝聚态物理与信息科学的前沿研究对象，在低功耗存储、拓扑光子学与可编程超材料等领域极具应用潜力。然而，传统固态体系中，拓扑孤子的可控生成长期面临两大瓶颈：成核能垒过高、触发方式剧烈且随机，难以实现像电子开关一样的按需写入、擦除与改写。

向列相液晶凭借分子取向易受光、电、温度调控的独特优势，成为突破这一难题的理想平台。研究团队设计了上下非对称拓扑图案的液晶盒：上表面为可用光重写的均匀取向层，下表面为精密光控图案化基底。通过线偏振光旋转上表面取向，可在液晶内部连续累积弹性扭曲，当扭曲应力达到临界阈值，拓扑平庸的初始织构会确定性成核为稳定的三维分数斯格明子环。实验以及基于朗道-德让纳自由能的模拟结果共同揭示，该拓扑相变伴随2π 扭曲突变与显著的能量降低。同时，斯格明子环的截面可在半奈尔斯型格明子、半反斯格明子、半双半子之间连续演化，呈现丰富的拓扑形态。

更具突破的是，团队证实该拓扑成核机制具有多场普适性：除光场外，施加低频交流电场或局域激光加热，均可精准触发斯格明子环成核；在成核过程中会同步产生一对拓扑单极子，沿环自主迁移以最小化系统自由能，最终稳定在低能组态。

该成果首次在软物质体系中，将拓扑孤子的生成从“随机偶然”变为“可控确定性”，攻克了固态体系难以逾越的高能垒难题。室温、低能耗、光学可擦写的特性，让向列相液晶成为构建三维拓扑纹理可编程平台的理想载体，为可重构拓扑光子器件、拓扑超材料与低功耗信息存储开辟了全新技术路径。

图1.光辐照下斯格明子环的拓扑成核

中国科学技术大学博士研究生石青田和中国科学技术大学博士研究生张婧为论文共同第一作者，彭晨晖教授、蒋景华研究员与香港科技大学张锐教授为文章的共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、中国科学院百人计划以及香港研究资助局等项目的大力支持。此工作的进行也得到了中国科大微纳研究与制造中心以及工程与材料科学实验中心的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1103/kvnh-lzvx

（物理学院、科研部）