编辑推荐：
为解决斯格明子纹理的创建、观测和操控难题，以及其对胶体动力学影响不明的问题，研究人员开展光驱动向列相胶体在分数斯格明子和双斯格明子中行为的研究，成功创建多种结构，揭示其动态行为，为设计智能材料提供新思路。
在神奇的微观世界里，有一群 “小家伙”—— 斯格明子（Skyrmions），自 1961 年被提出后，就吸引了众多科学家的目光。它就像微观世界的 “小超人”，拥有拓扑保护结构，在量子领域、磁性材料等众多物理系统中都有它活跃的身影。凭借独特的稳定性和拓扑特性，它在下一代数据存储、传感器等领域极具潜力，有望成为推动科技进步的关键力量。
不过，这个 “小超人” 也给科学家们出了不少难题。一方面，创建各种斯格明子纹理，并直接用光学手段观察和操控它们，难度极大；另一方面，斯格明子纹理的变化如何影响胶体的运动，这一问题也让科学家们困惑不已。为了攻克这些难题，来自中国科学技术大学和香港科技大学的研究人员踏上了探索之旅，他们的研究成果发表在了《Nature Communications》上。
研究人员运用了多种关键技术方法。通过连续介质模拟（Continuum Simulations），从理论层面探究斯格明子和胶体的相互作用；利用荧光共聚焦偏振显微镜（Fluorescent Confocal Polarizing Microscopy，FCPM），直观地观察向列相液晶（Nematic Liquid Crystal，LC）中微观结构的细节。在实验中，精心设计表面图案和样品制备流程，让研究得以顺利开展。
下面来看看他们的研究成果：
- 具有两种不同拓扑结构的半斯格明子的出现：研究人员通过设计特定的拓扑图案，在向列相液晶中成功创建了 3D 丝状的分数斯格明子、反斯格明子和双斯格明子。通过测量指向矢场的扭转角，发现随着液晶盒厚度变化，会出现不同的结构转变。引入胶体粒子后，根据胶体与斯格明子的相互作用以及连续介质模拟，确定了两种不同的半斯格明子：半反斯格明子（half-anti-skyrmion，HAS，1/2,?1/2,0,0）和半尼尔型斯格明子（half-Néel-skyrmion，HNS，1/2,1/2,0,π），它们的形成机制和拓扑结构都有别于以往文献报道。
- 具有两种不同拓扑结构的半尼尔型双斯格明子：当改变表面取向时，又形成了另一种斯格明子 —— 半尼尔型双斯格明子（half-Néel-bimeron，HNB）。同样通过模拟确定了两种不同取向的半尼尔型双斯格明子：(1/2,0,0,?π/2)和(1/2,0,0,π/2)，其结构也与之前报道不同。
- 斯格明子链集体动力学中胶体的弹性舞动：用线偏振光照射样品，半斯格明子会偏离平衡态。在这个过程中，半斯格明子的拓扑轮廓不断变化，从半反斯格明子依次转变为半尼尔型双斯格明子、半尼尔型斯格明子等，最终又变回半反斯格明子，而斯格明子数始终保持为1/2。胶体粒子在这个过程中会发生弹性旋转，且胶体链的集体行为与单个胶体粒子明显不同，这种集体行为还与胶体链中的粒子数量有关。
- 具有四种不同拓扑纹理的半斯格明子链环的集体动力学：设计特殊的指向矢场，研究人员创建了半斯格明子链环，发现其中存在四种不同的拓扑轮廓。光照射使链环收缩时，胶体组件会随着拓扑轮廓的变化而旋转。半径不同的链环，胶体运动情况也不同，大半径链环中胶体运动类似直链情况，小半径链环中胶体被排斥后难以回到链环。
- 由任意形状的半斯格明子链模板化的胶体组装：利用光照射生成具有任意形状（如 “HKUSTC” 字母形状）的半斯格明子链，这些链可作为模板，引导胶体形成线性链或之字形结构的组装体。
研究结论和讨论部分意义重大。该研究首次在一个斯格明子链中创建出多种不同拓扑纹理，并实现了对其转变的直接光学观测和操控。研究揭示了胶体粒子在斯格明子链非平衡动力学中的响应，以及拓扑和几何结构对胶体组件集体动力学的影响。通过操控半斯格明子的拓扑和几何结构，能有效控制胶体组件的集体动力学，这为开发响应性胶体复合材料和智能材料提供了新的方向，打开了一扇通往未来智能材料世界的大门，让人们对微观世界的理解和操控更进了一步。
