Science子刊：摩爾紋等離子體斯格米子團簇！

拓撲物理正深刻改變光學領域，為高維渦旋、偏振奇點等研究提供了新視角。斯格米子作為一種拓撲穩定的準粒子，最初在粒子物理中被提出，現已在玻色-愛因斯坦凝聚態、液晶、磁性材料乃至光學中被廣泛研究。2018年，研究人員首次提出實現光學斯格米子晶格的方案，利用表面等離激元干涉或局域光學自旋場中的拓撲缺陷構建光學斯格米子。隨后的研究揭示了光學斯格米子的時空動力學特性，并發展出多種光學“準粒子”形態。

然而，現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固定，限制了在光子器件中實現更高密度信息編碼與更豐富拓撲調控的可能性。因此，實現包含多個斯格米子的“斯格米子團簇”成為拓展光學拓撲功能的關鍵挑戰。

圖1 摩爾紋光學斯格米子團簇的生成原理與結構設計

南昌大學于天寶教授、鄧偉民副教授、萬里鵬博士團隊在理論與實驗上首次提出并觀測到“摩爾紋等離子體斯格米子團簇”，即在單個超晶格單元內嵌套多個奈爾型等離子體斯格米子，形成大尺度光學斯格米子團簇。通過設計具有可控扭轉角的雙層等離子體納米結構，激發兩組表面等離激元波疊加，從而在二維金屬表面產生具有深層亞波長特征的摩爾紋拓撲場。

研究證明，通過調節扭轉角可實現周期性與準周期性的光學斯格米子排列，并觀測到斯格米子數的快速反轉與拓撲態切換。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平臺，還可作為復合納米結構對準偏差的靈敏探針，為高密度光信息存儲與拓撲光器件設計開辟了新途徑。

圖2 周期性等離子體斯格米子團簇的模擬與實驗驗證

該研究成功在理論與實驗上實現了包含多斯格米子的等離子體斯格米子團簇，通過扭轉等離子體納米結構干涉兩組光學斯格米子晶格，構建出具有摩爾紋超晶格特征的拓撲光場。扭轉角可調控斯格米子的周期性、數量及其納米尺度運動，為在公度與非公度幾何中探索等離子體斯格米子團簇提供了有力平臺。

實驗結果表明，該體系對結構對準偏差極為敏感，偏差可引發斯格米子拓撲數的快速反轉，可用于納米級光學計量與光刻掩模對準。此外，該方法具有普適性，可拓展至其他波系統（如水波、部分相干波等），并為片上拓撲光通信、高維量子信息處理及拓撲耦合的多體動力學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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