中國科大利用拓撲單極子實現(xiàn)光驅(qū)動液晶斯格明子拓撲轉(zhuǎn)換

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院彭晨暉教授、蔣景華研究員團隊與香港科技大學(xué)張銳教授合作，在向列相液晶體系中實現(xiàn)了通過光控拓撲單極子介導(dǎo)的半斯格明子拓撲動態(tài)轉(zhuǎn)換，并成功將單極子作為載體實現(xiàn)了膠體顆粒的可控輸運。這一成果為拓撲物態(tài)的非平衡調(diào)控和微納尺度物質(zhì)輸運提供了全新途徑。相關(guān)研究成果于10月16日以“Monopole-mediated light control of half skyrmion topology in nematic liquid crystals”為題發(fā)表在《自然·通訊》上。
 

　　斯格明子作為一種具有拓撲保護特性的非平庸結(jié)構(gòu)，在信息存儲、自旋電子學(xué)和量子計算等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。然而，在單一系統(tǒng)中實現(xiàn)不同拓撲構(gòu)型之間的可控轉(zhuǎn)換，并對轉(zhuǎn)換過程進行實時觀測和動態(tài)調(diào)控，是研究者長期追求的目標(biāo)。特別是由于斯格明子具有拓撲保護的奇異特性，改變其諸如斯格明子數(shù)等拓撲不變量極具挑戰(zhàn)，因此如何實現(xiàn)斯格明子的拓撲轉(zhuǎn)換已經(jīng)成為熱點研究方向。
 

　　近年來，彭晨暉教授團隊在液晶斯格明子拓撲結(jié)構(gòu)調(diào)控方面取得了重要進展，揭示了光場驅(qū)動下非平衡態(tài)半斯格明子與半雙半子間的拓撲結(jié)構(gòu)重構(gòu)機制，并展現(xiàn)了膠體顆粒隨之發(fā)生的動態(tài)自組裝行為，為本工作的開展奠定了堅實基礎(chǔ)。
 

　　在本研究中，研究團隊通過在向列相液晶盒中設(shè)計具有幾何阻挫的界面圖案，成功在半斯格明子弦中誘導(dǎo)產(chǎn)生了8種不同類型的單極子結(jié)構(gòu)，包括雙曲型、圓形及中間態(tài)的(反)刺猬構(gòu)型。這些單極子作為拓撲場的源與匯，成為連接不同半斯格明子構(gòu)型的關(guān)鍵橋梁。通過線性偏振藍光(波長455nm)驅(qū)動系統(tǒng)脫離平衡態(tài)，研究團隊實現(xiàn)了單極子對之間從吸引到排斥的動態(tài)切換，進而誘導(dǎo)半斯格明子發(fā)生拓撲轉(zhuǎn)變，如從半奈爾斯格明子(HNS,N sk= -1/2)轉(zhuǎn)變?yōu)榘敕此垢衩髯?HAS,N sk= +1/2)。
 

　　尤為重要的是，研究團隊進一步開發(fā)了拓撲單極子的微納操控功能，將其作為微型“搬運工”。在螺旋形半斯格明子弦中，單極子可沿預(yù)設(shè)軌跡自主運動，并帶動膠體顆粒從中心向邊界(或反向)進行可控輸送，運動速度在0.35-2.32µm/s范圍內(nèi)可控，且?guī)缀醪皇芰黧w動力學(xué)干擾，展現(xiàn)出其在微米尺度貨物輸送中的巨大應(yīng)用潛力。
 

單極子在半斯格明子弦中的運動軌跡及其驅(qū)動的膠體自組裝輸運過程
 

　　以上結(jié)果首次系統(tǒng)揭示了單極子在半斯格明子拓撲轉(zhuǎn)換中的核心作用，實現(xiàn)了光控下的動態(tài)編程調(diào)控，為拓撲物態(tài)的非平衡動力學(xué)研究提供了重要范例。審稿人認為，該研究“在無本征手性的向列相液晶中，實現(xiàn)了對三維斯格明子拓撲轉(zhuǎn)變的重要控制，是一項顯著的進展”。
 

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院博士研究生扎吾熱·阿斯了漢、香港科技大學(xué)博士研究生唐文滔和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生鄭新達為文章的共同第一作者，彭晨暉教授、蔣景華研究員和張銳教授為文章的共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院百人計劃、安徽省自然科學(xué)基金、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“雙一流”平臺建設(shè)經(jīng)費以及香港研究資助局等項目的大力支持。