近日，國(guó)際知名期刊Nature Communications, 16, 1148 (2025)在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)彭晨暉教授、蔣景華研究員和香港科大張銳教授團(tuán)隊(duì)合作研究成果“Light-driven dancing of nematic colloids in fractional skyrmions and bimerons”。利用向列相液晶為研究體系實(shí)現(xiàn)了斯格明子在拓?fù)浔Ｗo(hù)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。合作團(tuán)隊(duì)揭示了斯格明子在光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下處于非平衡狀態(tài)時(shí)，半斯格明子(half-skyrmion) 和半雙半子(half-bimeron) 之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換機(jī)制。而后展示了具有拓?fù)淙毕莸哪z體顆粒在斯格明子轉(zhuǎn)換過(guò)程中如同舞動(dòng)般的自組裝動(dòng)力學(xué)特性。這項(xiàng)工作為利用凝聚態(tài)材料中非平衡態(tài)斯格明子操控膠體顆粒開(kāi)辟了新的方向。

該工作使用晶萃光學(xué)提供的光鑷系統(tǒng)，制備了具有“HKUSTC”字樣的任意形狀的斯格明子結(jié)構(gòu)，膠體顆粒在其中形成線狀和zigzag結(jié)構(gòu)的膠體自組裝結(jié)構(gòu)，為智能膠體復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了新的思路。

斯格明子最初由粒子物理學(xué)家 Skyrme 在1961年提出，代表了一種具有拓?fù)浔Ｗo(hù)結(jié)構(gòu)的三維孤子粒子狀態(tài)。在包括玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體、量子場(chǎng)、磁性材料和光學(xué)系統(tǒng)在內(nèi)的各種物理系統(tǒng)中已對(duì)斯格明子進(jìn)行了深入的研究。斯格明子的獨(dú)特性質(zhì)，如其穩(wěn)定性和非平凡拓?fù)湫再|(zhì)，使它們將在下一代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳感和光通信中具有廣泛的應(yīng)用。作為一種新興的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，斯格明子在二維空間（2D）中呈現(xiàn)出盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，在三維空間（3D）中呈現(xiàn)出弦狀結(jié)構(gòu)。迄今，已在各種不同材料中發(fā)現(xiàn)諸如斯格明子的反粒子（antiskyrmion）, 分?jǐn)?shù)斯格明子（meron 和 antimeron）以及分?jǐn)?shù)斯格明子對(duì)（bimeron）等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但在一個(gè)斯格明子弦(skyrmion string)中創(chuàng)建不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并直接利用光學(xué)手段觀察不同三維斯格明子之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。由于液晶體系其內(nèi)在的復(fù)雜性和較大的系統(tǒng)尺寸，其可能為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)提供解決方案。

合作團(tuán)隊(duì)前期在液晶體系中首先揭示了光驅(qū)動(dòng)活性物質(zhì)三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了各三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)間的相互轉(zhuǎn)換（PNAS 119, e2122226119 (2022)）, 利用莫爾效應(yīng)操控復(fù)雜三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Nature Communications, 15, 1655 (2024)），利用光驅(qū)動(dòng)三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形變，發(fā)現(xiàn)了光驅(qū)動(dòng)活性膠體自組裝新機(jī)制（PNAS 120, e2221718120 (2023)），闡明了拓?fù)潋?qū)動(dòng)膠體糾纏的物理機(jī)制（PNAS 121, e2402395121 (2024)）。

在這些前期工作的基礎(chǔ)之上，合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種不兼容的拓?fù)淠Ｊ介g距超過(guò)一定距離時(shí)，一種新的具有周期性結(jié)構(gòu)的拓?fù)湮飸B(tài)呈現(xiàn)。結(jié)合理論模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種三維的半斯格明子。這種半斯格明子可具有四種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即半反斯格明子half-anti-skyrmion（HAS（-1/2，π））和半尼爾斯格明子half-Néel-skyrmion（HNS（-1/2，0））和兩種半尼爾雙半子half-Néel-bimeron（HNB（-1/2，π/2）和HNB（-1/2，-π/2））。當(dāng)三維斯格明子在光驅(qū)動(dòng)下處于非平衡狀態(tài)時(shí)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按照 HNB（-1/2，π/2）、HNS（-1/2，0）、HNB（-1/2，-π/2）、HAS（-1/2，π）和 HNB（-1/2，π/2）的順序進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將具有拓?fù)淙毕莸哪z體顆粒置于此斯格明子中時(shí)，膠體顆粒呈現(xiàn)出膠體偶極子形態(tài)，此偶極子結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)的三維的斯格明子中旋轉(zhuǎn)、被排斥和被吸引。當(dāng)膠體自組裝結(jié)構(gòu)在此斯格明子中時(shí)，則呈現(xiàn)kink, coil及旋轉(zhuǎn)等不同的自組裝形態(tài)。具體來(lái)說(shuō)，由于斯格明子中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，誘導(dǎo)膠體自組裝結(jié)構(gòu)的可控轉(zhuǎn)換。合作團(tuán)隊(duì)還制備了具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的斯格明子環(huán)，此斯格明子環(huán)可在光驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行擴(kuò)張和收縮，膠體顆?？衫@著斯格明子環(huán)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，最終形成jamming結(jié)構(gòu)防止斯格明子的湮滅。最終合作團(tuán)隊(duì)制備了具有“HKUSTC”字樣的任意形狀的斯格明子結(jié)構(gòu)，膠體顆粒在其中形成線狀和zigzag結(jié)構(gòu)的膠體自組裝結(jié)構(gòu)。

通過(guò)深入理解拓?fù)渌垢衩髯拥男纬珊娃D(zhuǎn)換機(jī)制，合作團(tuán)隊(duì)能夠精確控制斯格明子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，并利用其作為信息載體對(duì)膠體顆粒進(jìn)行自組裝和傳輸。此項(xiàng)研究不僅為凝聚態(tài)物理中斯格明子領(lǐng)域開(kāi)辟了新的方向，而且為智能膠體復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了新的思路。

圖1. 膠體顆粒在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的斯格明子中形成形態(tài)各異的自組裝結(jié)構(gòu)

此工作實(shí)驗(yàn)部分由中科大彭晨暉教授、蔣景華研究員團(tuán)隊(duì)完成，理論模擬部分由香港科大張銳教授團(tuán)隊(duì)支持完成。彭晨暉教授、蔣景華研究員和張銳教授為本文共同通訊作者，中科大博士生扎吾熱阿斯了漢和香港科大博士生唐文滔為本文共同第一作者。中科大研究生張婧、王睿潔和石青田、本科生陳子君和宋甘霖亦提供了重要支持。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃、安徽省自然科學(xué)基金、中科大雙一流平臺(tái)建設(shè)經(jīng)費(fèi)、中科大青年創(chuàng)新重點(diǎn)基金和香港研究資助局的資助，特別感謝南京晶萃光學(xué)對(duì)該工作的儀器支持。