向列相液晶中单极子介导的光控半斯格明子拓扑结构研究

《Nature Communications》：Monopole-mediated light control of half skyrmion topology in nematic liquid crystals

本研究针对拓扑保护结构中拓扑不变量难以操控的挑战，通过实验与模拟发现了八种单极子类型，首次实现了光调控单极子诱导的半斯格明子拓扑转变。研究人员利用向列相液晶体系，通过设计几何图案产生半斯格明子弦，发现单极子-反单极子对的相互作用可调控拓扑相变，并成功将单极子作为胶体颗粒输运载体。该工作为拓扑物态调控提供了新范式，对智能材料设计具有重要指导意义。

　　

在拓扑材料研究领域，斯格明子（skyrmion）因其受拓扑保护的稳定性，在自旋电子器件中展现出巨大应用潜力。然而，这些受保护结构内部的拓扑不变量操控始终是悬而未决的难题。就像拥有坚固外壳的种子，斯格明子虽然能够抵抗外部干扰，却也使得人为调控其核心拓扑特性变得异常困难。这一问题严重制约了拓扑材料在信息存储和逻辑运算等领域的应用突破。

近日发表于《Nature Communications》的研究论文"Monopole-mediated light control of half skyrmion topology in nematic liquid crystals"为解决这一难题提供了创新方案。研究团队巧妙利用向列相液晶（nematic liquid crystals）体系，通过单极子（monopole）这一具有非平凡拓扑电荷的奇异点缺陷，成功实现了对半斯格明子（half skyrmion）拓扑结构的精准调控。

研究团队采用光取向技术制备具有几何挫折的拓扑图案基板，通过热致相变过程在向列相液晶中产生半斯格明子弦。他们综合运用偏振光学显微镜、激光镊子操控和连续介质模拟等关键技术，系统研究了单极子动力学行为及其对拓扑结构的调控机制。特别值得注意的是，研究中使用的向列相液晶材料为4'-戊基-4-氰基联苯（5CB），通过精确控制温度循环（加热至各向同性相38°C后以2°C/min速率冷却至25°C向列相）诱导缺陷形成。

Creation of topological monopole-antimonopole pairs in half skyrmions

研究人员首先在交替排列的展曲-弯曲畸变图案上成功构建了半斯格明子弦。通过相变过程，在半斯格明子弦中自发产生了单极子（q=+1）和反单极子（q=-1）对。实验观察和模拟结果显示，这些单极子呈现八种不同的拓扑构型，包括双曲刺猬缺陷（hyperbolic hedgehog）和圆形刺猬缺陷（circular hedgehog）等。特别有趣的是，在均匀取向沿x轴时产生的半双半子（half bimeron）弦中，单极子表现出介于圆形和双曲构型之间的中间态特征。

Topological transition of half skyrmions by monopole-antimonopole pair

当远场条件F=0时，单极子-反单极子对表现出相互吸引作用，最终发生湮灭，导致HNS（N_sk=-1/2）向HAS（N_sk=+1/2）的拓扑转变。相反，当F=π时，缺陷对则相互排斥。自由能计算表明，HNS具有较高能量，这驱动了向低能态HAS的自发转变。能量差的大小决定了缺陷运动速度，在展曲区域|Δf|~280k_BT/μm³时运动较快，而在弯曲区域|Δf|~5k_BT/μm³时运动较慢。

Tunable topological transformation of half skyrmions

通过线性偏振蓝光（波长455nm，强度510mW/cm²）照射，研究人员实现了半斯格明子的可调控拓扑转变。在光驱动下，半斯格明子弦发生平移运动，单极子-反单极子对的相互作用在吸引和排斥之间可逆切换。这一过程中，单极子的构型持续变化但拓扑电荷保持守恒，同时半斯格明子的拓扑构型随着图案区域的不同而发生可逆转变。

A monopole-antimonopole pair in half skyrmion string loops

在环形拓扑图案中，研究人员观察到了单极子-反单极子对沿环路的自发旋转运动。通过光控可以实现环路收缩和扩张，在此过程中缺陷对保持恒定间距旋转而不会湮灭。在纯半斯格明子环路中，圆形反单极子（q=-1）和双曲单极子（q=+1）沿相反方向运动直至相遇湮灭，最终环路转变为纯HAS构型。

Colloidal transport by monopole-enabled topological transition of skyrmions

最具应用价值的是，研究团队成功将单极子作为胶体颗粒的输运载体。在螺旋形半斯格明子弦中，双曲单极子（q=+1）以2μm/s的平均速度从中心向边界运动，同时将20个胶体颗粒组成的链从中心输运至边界。相反，圆形反单极子（q=-1）则以2.32μm/s的速度从边界向中心运动。这种输运过程在埃里克森数E_r?1的条件下进行，流体动力学效应可忽略不计。

这项研究的意义不仅在于实现了半斯格明子的拓扑调控，更开创了利用拓扑缺陷进行物质输运的新范式。通过光控单极子动力学，研究人员在向列相液晶这一软物质体系中建立了拓扑相变、几何约束和材料特性之间的内在联系。该工作为拓扑光子学、量子信息处理和智能微机器设计等领域提供了新的思路，特别是在非平衡态拓扑物态操控方面开辟了新的研究方向。研究展示的胶体输运功能更直接证明了拓扑缺陷在微纳操控中的实际应用潜力，为未来开发基于拓扑保护的新型功能器件奠定了坚实基础。