我院彭晨晖、蒋景华研究组揭示液晶斯格明子拓扑结构转换驱动胶体自组装新机制 [2025-02-01]

近日，我院物理系彭晨晖教授、蒋景华研究员和香港科大张锐教授团队合作，利用向列相液晶为研究体系实现了斯格明子在拓扑保护下进行结构转换。合作团队揭示了斯格明子在光场驱动下处于非平衡状态时，半斯格明子(half-skyrmion) 和半双半子(half-bimeron) 之间的拓扑结构转换机制。而后展示了具有拓扑缺陷的胶体颗粒在斯格明子转换过程中如同舞动般的自组装动力学特性。这项工作为利用凝聚态材料中非平衡态斯格明子操控胶体颗粒开辟了新的方向，此工作以“Light-driven dancing of nematic colloids in fractional skyrmions and bimerons”为题发表于Nature Communications, 16, 1148 (2025)。

斯格明子最初由粒子物理学家Skyrme 在1961年提出，代表了一种具有拓扑保护结构的三维孤子粒子状态。在包括玻色-爱因斯坦凝聚体、量子场、磁性材料和光学系统在内的各种物理系统中已对斯格明子进行了深入的研究。斯格明子的独特性质，如其稳定性和非平凡拓扑性质，使它们将在下一代数据存储、传感和光通信中具有广泛的应用。作为一种新兴的拓扑结构，斯格明子在二维空间（2D）中呈现出盘状结构，在三维空间（3D）中呈现出弦状结构。迄今，已在各种不同材料中发现诸如斯格明子的反粒子（antiskyrmion）, 分数斯格明子（meron 和 antimeron）以及分数斯格明子对（bimeron）等拓扑结构。但在一个斯格明子弦(skyrmion string)中创建不同的拓扑结构并直接利用光学手段观察不同三维斯格明子之间的拓扑结构转换仍然是一个巨大的挑战。由于液晶体系其内在的复杂性和较大的系统尺寸，其可能为应对上述挑战提供解决方案。

合作团队前期在液晶体系中首先揭示了光驱动活性物质三维拓扑结构，并实现了各三维拓扑结构间的相互转换（PNAS 119, e2122226119 (2022)）, 利用莫尔效应操控复杂三维拓扑结构（Nature Communications, 15, 1655 (2024)），利用光驱动三维拓扑结构形变，发现了光驱动活性胶体自组装新机制（PNAS 120, e2221718120 (2023)），阐明了拓扑驱动胶体纠缠的物理机制（PNAS 121, e2402395121 (2024)）。

在这些前期工作的基础之上，合作团队发现当两种不兼容的拓扑模式间距超过一定距离时，一种新的具有周期性结构的拓扑物态呈现。结合理论模拟和实验验证，这种拓扑结构是一种三维的半斯格明子。这种半斯格明子可具有四种不同的拓扑结构，即半反斯格明子half-anti-skyrmion（HAS（-1/2，π））和半尼尔斯格明子half-Néel-skyrmion（HNS（-1/2，0））和两种半尼尔双半子half-Néel-bimeron（HNB（-1/2，π/2）和HNB（-1/2，-π/2））。当三维斯格明子在光驱动下处于非平衡状态时，其拓扑结构按照HNB（-1/2，π/2）、HNS（-1/2，0）、HNB（-1/2，-π/2）、HAS（-1/2，π）和 HNB（-1/2，π/2）的顺序进行转换。将具有拓扑缺陷的胶体颗粒置于此斯格明子中时，胶体颗粒呈现出胶体偶极子形态，此偶极子结构在运动的三维的斯格明子中旋转、被排斥和被吸引。当胶体自组装结构在此斯格明子中时，则呈现kink, coil及旋转等不同的自组装形态。具体来说，由于斯格明子中拓扑结构的转变，诱导胶体自组装结构的可控转换。合作团队还制备了具有环状结构的斯格明子环，此斯格明子环可在光驱动下进行扩张和收缩，胶体颗粒可绕着斯格明子环进行转动，最终形成jamming结构防止斯格明子的湮灭。最终合作团队制备了具有“HKUSTC”字样的任意形状的斯格明子结构，胶体颗粒在其中形成线状和zigzag结构的胶体自组装结构。

通过深入理解拓扑斯格明子的形成和转换机制，合作团队能够精确控制斯格明子的结构和运动，并利用其作为信息载体对胶体颗粒进行自组装和传输。此项研究不仅为凝聚态物理中斯格明子领域开辟了新的方向，而且为智能胶体复合材料的设计和开发提供了新的思路。

图1.胶体颗粒在不同拓扑结构的斯格明子中形成形态各异的自组装结构

 此工作实验部分由我院彭晨晖教授、蒋景华研究员团队完成，理论模拟部分由香港科大张锐教授团队完成。彭晨晖教授、蒋景华研究员和张锐教授为本文共同通讯作者，中国科大博士生扎吾热阿斯了汉和香港科大博士生唐文滔为本文共同第一作者。中国科大研究生张婧、王睿洁和石青田，本科生陈子君和宋甘霖为共同作者。该工作得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中国科大双一流平台建设经费、中国科大青年创新重点基金和香港研究资助局的资助。

论文信息：

Light-driven dancing of nematic colloids in fractional skyrmions and bimerons

 https://doi.org/10.1038/s41467-025-56263-5

（物理学院、科研部）