近日，南昌大学微纳光学团队实现了莫尔光学“准粒子”团簇，相关成果以“Observation of Moiré Plasmonic Skyrmion Clusters”为题，发表在《Science Advances》上。南昌大学万里鹏博士、邓伟民副研究员、于天宝教授为论文的共同通讯作者；南昌大学硕士生张岚为第一作者；合作者还包括南昌大学王同标教授、宁波大学邹秋顺副教授及浙江大学赵道木教授。研究团队揭示了“莫尔等离激元斯格明子簇”这一光场的拓扑准粒子集群态：通过轻微扭转两层复合纳米结构，激发的光波出现由多个光学斯格明子“嵌套”而成的周期和准周期的光场拓扑簇，并可在纳米结构位错时发生快速拓扑反转，为片上高密度光学信息编码和纳米级对准提供了新思路。
近年来，研究人员发现了光学斯格明子—一种光场高阶拓扑结构映射到低维空间分布的“准粒子”态。光子不带电、相互作用弱、难以在纳米尺度像电子那样进行约束和调控。然而，光学斯格明子这类光学“准粒子”拓扑态，让连续的光波在空间中表现得仿佛一颗颗具有明确位置和结构的“光粒子”。这带来一个关键设想：若能像操控石墨烯等二维体系诱导丰富电子特性那样，对这些光学“准粒子”进行有序编排与精细调控，便有望在光学平台上实现类似电子体系中丰富的集体行为。基于这一认识及课题组微纳光场调控的研究基础，南昌大学微纳光学团队自2022年起开始系统探索莫尔光学斯格明子簇的实现路径。
图1. 莫尔光学斯格明子簇的产生原理及机制。
这项研究将两套纳米结构“扭转”，通过光的自旋轨道耦合在片上激发表面等离激元干涉场，构筑出可精细调控的莫尔等离激元场，进而观测到“莫尔等离激元斯格明子簇”的产生、晶格化以及拓扑数的快速反转。这表明光学“斯格明子簇”（Skyrmion Clusters）的存在：多个光学斯格明子在莫尔超晶格中以高度有序的方式“嵌套”在一起，形成一个更大尺度但仍由拓扑保护的复合准粒子。通过精心设计的等离激元纳米结构，该研究观测到了这类莫尔等离激元斯格明子簇态的空间分布和电场纹理，实现了从“单个斯格明子”到“多体拓扑簇态”的操控。
图2. 周期性等离激元斯格明子簇。
研究中，通过改变两组六边形纳米狭缝结构之间的扭转角，团队在同一平台上实现了周期与准周期光学斯格明子准粒子的排布，并在理论上用晶格模型刻画了莫尔超晶格几何与斯格明子数之间的对应关系。这种“用扭转直接写入拓扑态”的策略，将扭转电子学中的莫尔工程概念迁移到光场调控中，为高维拓扑光场的可编程设计提供了思路。
进一步，研究团队发现在复合纳米结构中引入微小的错位，可以实现莫尔等离激元斯格明子簇拓扑数的反转。通过建立简明的晶格模型，对这种拓扑相变给出了清晰物理图像解释。这一现象丰富了光学拓扑准粒子的多体物理。论文进一步指出：簇态拓扑数的突然翻转可以被视作一种“拓扑灯塔”，用来标记叠层纳米结构之间的相对对准误差。该机制可应用于为片上纳米对准、复合结构叠层误差诊断。
图3. 光学斯格明子对准信标。复合纳米结构的错位引起的光学斯格明子拓扑转变。
Lan Zhang, Lipeng Wan*, Weimin Deng*, Liang Hou, Jumin Qiu, Qiushun Zou, Tongbiao Wang, Daomu Zhao, Tianbao Yu*, Observation of moiré plasmonic skyrmion clusters. Science Advances 11, eadx0478 (2025).
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx0478
撰稿|课题组
