拓?fù)湮锢碚羁谈淖児鈱W(xué)領(lǐng)域，為高維渦旋、偏振奇點(diǎn)等研究提供了新視角。斯格米子作為一種拓?fù)浞€(wěn)定的準(zhǔn)粒子，最初在粒子物理中被提出，現(xiàn)已在玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)、液晶、磁性材料乃至光學(xué)中被廣泛研究。2018年，研究人員首次提出實(shí)現(xiàn)光學(xué)斯格米子晶格的方案，利用表面等離激元干涉或局域光學(xué)自旋場中的拓?fù)淙毕輼?gòu)建光學(xué)斯格米子。隨后的研究揭示了光學(xué)斯格米子的時(shí)空動(dòng)力學(xué)特性，并發(fā)展出多種光學(xué)“準(zhǔn)粒子”形態(tài)。

然而，現(xiàn)有研究多集中于孤立或周期性的斯格米子單元，其對稱性和斯格米子數(shù)固定，限制了在光子器件中實(shí)現(xiàn)更高密度信息編碼與更豐富拓?fù)湔{(diào)控的可能性。因此，實(shí)現(xiàn)包含多個(gè)斯格米子的“斯格米子團(tuán)簇”成為拓展光學(xué)拓?fù)涔δ艿年P(guān)鍵挑戰(zhàn)。

圖1 摩爾紋光學(xué)斯格米子團(tuán)簇的生成原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

南昌大學(xué)于天寶教授、鄧偉民副教授、萬里鵬博士團(tuán)隊(duì)在理論與實(shí)驗(yàn)上首次提出并觀測到“摩爾紋等離子體斯格米子團(tuán)簇”，即在單個(gè)超晶格單元內(nèi)嵌套多個(gè)奈爾型等離子體斯格米子，形成大尺度光學(xué)斯格米子團(tuán)簇。通過設(shè)計(jì)具有可控扭轉(zhuǎn)角的雙層等離子體納米結(jié)構(gòu)，激發(fā)兩組表面等離激元波疊加，從而在二維金屬表面產(chǎn)生具有深層亞波長特征的摩爾紋拓?fù)鋱觥?/p>

研究證明，通過調(diào)節(jié)扭轉(zhuǎn)角可實(shí)現(xiàn)周期性與準(zhǔn)周期性的光學(xué)斯格米子排列，并觀測到斯格米子數(shù)的快速反轉(zhuǎn)與拓?fù)鋺B(tài)切換。該體系不僅提供了在納米尺度上追蹤斯格米子成核與湮滅的動(dòng)態(tài)平臺(tái)，還可作為復(fù)合納米結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)偏差的靈敏探針，為高密度光信息存儲(chǔ)與拓?fù)涔馄骷O(shè)計(jì)開辟了新途徑。

圖2 周期性等離子體斯格米子團(tuán)簇的模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該研究成功在理論與實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了包含多斯格米子的等離子體斯格米子團(tuán)簇，通過扭轉(zhuǎn)等離子體納米結(jié)構(gòu)干涉兩組光學(xué)斯格米子晶格，構(gòu)建出具有摩爾紋超晶格特征的拓?fù)涔鈭?。扭轉(zhuǎn)角可調(diào)控斯格米子的周期性、數(shù)量及其納米尺度運(yùn)動(dòng)，為在公度與非公度幾何中探索等離子體斯格米子團(tuán)簇提供了有力平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該體系對結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)偏差極為敏感，偏差可引發(fā)斯格米子拓?fù)鋽?shù)的快速反轉(zhuǎn)，可用于納米級(jí)光學(xué)計(jì)量與光刻掩模對準(zhǔn)。此外，該方法具有普適性，可拓展至其他波系統(tǒng)（如水波、部分相干波等），并為片上拓?fù)涔馔ㄐ?、高維量子信息處理及拓?fù)漶詈系亩囿w動(dòng)力學(xué)模擬提供了新的物理載體。

Lan Zhang et al., Observation of moiré plasmonic skyrmion clusters. Sci. Adv.11,eadx0478(2025). DOI:10.1126/sciadv.adx0478

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