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)斯格米子的時空動力學(xué)特性,并發(fā)展出多種光學(xué)“準(zhǔn)粒子”形態(tài)。
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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)。
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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
南昌大學(xué)于天寶教授、鄧偉民副教授、萬里鵬博士團(tuán)隊在理論與實(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”,即在單個超晶格單元內(nèi)嵌套多個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態(tài)平臺,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與拓?fù)涔馄骷O(shè)計開辟了新途徑。
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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)涔鈭觥EまD(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,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。
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),可用于納米級光學(xué)計量與光刻掩模對準(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拧⒏呔S量子信息處理及拓?fù)漶詈系亩囿w動力學(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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