近日，中國科學技術大學聯合香港科技大學，在向列相液晶體系中，實現了通過光控拓撲單極子介導的半斯格明子拓撲動態轉換，并以單極子為載體，實現了膠體顆粒的可控輸運。這一成果為拓撲物態的非平衡調控和微納尺度物質輸運提供了新途徑。

斯格明子作為具有拓撲保護特性的非平庸結構，在信息存儲、自旋電子學和量子計算等領域具有應用前景。在單一系統中實現不同拓撲構型之間的可控轉換，并對轉換過程進行實時觀測和動態調控，是研究人員追求的目標。特別是，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等拓撲不變量頗具挑戰。因此，實現斯格明子的拓撲轉換已成為研究熱點。

研究團隊通過在向列相液晶盒中設計具有幾何阻挫的界面圖案，在半斯格明子弦中誘導產生了8種不同類型的單極子結構，包括雙曲型、圓形及中間態的（反）刺猬構型。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型的重要橋梁。通過線性偏振藍光驅動系統脫離平衡態，團隊實現了單極子對之間從吸引到排斥的動態切換，進而誘導半斯格明子發生拓撲轉變，如從半奈爾斯格明子轉變為半反斯格明子。

團隊進一步開發了拓撲單極子的微納操控功能，并將其作為微型“搬運工”。在螺旋形半斯格明子弦中，單極子可沿預設軌跡自主運動，帶動膠體顆粒從中心向邊界（或反向）進行可控輸送，使運動速度在0.35至2.32μm/s范圍內可控，且幾乎不受流體動力學干擾，展現出在微米尺度貨物輸送中的應用潛力。

這一研究揭示了單極子在半斯格明子拓撲轉換中的重要作用，實現了光控下的動態編程調控，為拓撲物態的非平衡動力學研究提供了范例。

相關研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會和中國科學院等的支持。

論文鏈接

單極子在半斯格明子弦中的運動軌跡及其驅動的膠體自組裝輸運過程