近日，南京大学陈延峰院士、卢明辉教授、张秀娟副教授团队在声学拓扑矢量场研究方面取得重要进展。研究团队首次提出了一种全新的声自旋斯格明子分子晶格，实现了斯格明子的鲁棒输运和灵活调控。相关研究以“Acoustic spin skyrmion molecule lattices enabling stable transport and flexible manipulation”为题发表于《Nature Communications》。南京大学2025级博士生刘磊为论文第一作者, 张秀娟副教授、卢明辉教授、陈延峰院士为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省重点研发计划等项目的资助。
近年来，斯格明子的研究已进一步拓展到光学、声学和水波等经典波系统中。在这些体系里，斯格明子可以表现为电磁偏振场或流体速度场中的矢量结构，极大地丰富了其物理内涵。然而，目前大多数实现方案依赖于静态干涉模式，难以同时满足稳定性、可传输性与可调控性这些关键应用要求。因此，在单一体系中实现三者的统一，成为该领域的一项重要挑战。
针对上述难题，研究团队创新性提出了一种与材料无关、基于对称性保障的斯格明子分子晶格，该晶格由周期性排列、极性互补的斯格明子对构成（如图1所示），成功实现了斯格明子分子的稳定产生、鲁棒输运与灵活调控。
图1：斯格明子分子晶格示意图。
研究团队巧妙利用晶格对称性与各向异性
轨道（如图2所示），在两个子晶格上构建出一对手性相反的涡旋结构。这些涡旋在晶格对称性的保护下，稳定锁定于
更为关键的是，这些斯格明子分子作为系统固有的传播本征态，具备低散射、抗干扰的稳定传输能力。研究人员在声表面波超材料中构建硬边界波导结构，成功筛选出奇、偶两类斯格明子分子中的偶模（如图3所示）。实验测量结果表明，偶斯格明子分子可沿波导稳定传播，其自旋矢量场分布与仿真模拟的本征态高度吻合。同时，其傅里叶谱清晰呈现出谷锁定特征，进一步证明了该体系在传输过程中的拓扑鲁棒性。
研究团队进一步提出了一种基于边界工程的全新调控策略：通过向边界空腔注入硅油以精确调节腔体深度，改变边界腔的谐振频率，进而实现边界条件的有效重构（如图4所示）。依托该方法，团队成功实现了对斯格明子分子的产生、形变、湮灭以及极性反转等过程的精确操控。相较于磁体系中外场调控常表现出的强非线性响应，该方案具有线性且可预测的优势，为斯格明子的调控提供了一种精确且灵活的手段。
研究人员还通过将奇、偶两类斯格明子分子进行叠加，成功将分子态解耦为独立的斯格明子准粒子（如图5所示），并在不同子晶格上观测到接近±1的量子化斯格明子数，清晰印证了其拓扑本质。
该研究基于对称性构建的分子晶格，为斯格明子的稳定产生、鲁棒传输与灵活操控提供了一个高度可调且普适性强的平台。该方法不仅适用于更广泛的点群及非点群对称结构，能够催生新奇斯格明子效应；还可推广至更高阶轨道体系，进而产生更为复杂的自旋纹理；更有望拓展至电磁波、重力波、电子等多种物理系统——在这些系统中，其独特的物理特性将进一步丰富拓扑矢量纹理的功能维度。展望未来，若将该体系与电声、电机械、电光等主动调控机制相结合，有望实现斯格明子的片上、实时、可编程操控，推动超快且可重构的自旋波技术发展。此外，该方法基于涡旋晶格与倏逝场之间的耦合机制，揭示了轨道角动量与自旋角动量协同作用的新物理，为高容量通信、波与物质相互作用以及高灵敏度传感等应用场景开辟了新的可能性。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-65611-4
撰稿|课题组
