近期，新加坡南洋理工大学申艺杰教授团队在纳米光学基本散射现象——米氏散射（Mie scattering）中发现新型光学拓扑准粒子，首次将拓扑准粒子——正则动量斯格明子（Skyrmions）。与传统用光场矢量或自旋矢量构建的斯格明子拓扑结构不同[背景参见近期综述Nat. Photon. 18, 15–25 (2024)，教程Adv. Opt. Photonics 17(2) 295-374 (2025)，和新闻Opt. Photon. News 36, 26-33 (2025)]，正则动量是对被场驱动的粒子机械运动最规范描述，该工作直接将拓扑结构的产生拓展到光与物质相互作用，强调了其与一般认为的代表光的能流的坡印廷矢量的区别，这明确了光场的能量和相位结构的特点，在光力驱动纳米颗粒等方向有潜在应用。此外，研究分析了斯格明子动量场的螺旋可调性以及存在几何缺陷情况下的极强的拓扑稳定性。这项工作用简单的物理模型揭示了多极散射场奇异的拓扑性质，在超表面等诸多实验平台都有应用前景，为探索光力、超材料设计及光-物质相互作用中新型拓扑非平庸现象开辟了道路。相关成果发表在Nanophotonics，题为Topological Momentum Skyrmions in Mie Scattering Fields，第一作者为在南洋理工大学交换学习的上海交通大学的本科生陈陪阳，工作中得到了南洋理工大学两位博士生Kai Xiang Lee和Tim Colin Meiler的指导，通讯作者为南洋理工大学南洋助理教授申艺杰。
在光与物质相互作用中，拓扑所扮演的角色对于拓扑保护性结构的调控与传递具有重要意义。大量拓扑结构在光学的诸多自由度中已被发现，如电磁场、自旋角动量等。然而在光学与物质场间作用力传递的真正基础载体——正则动量场中，至今尚未发现斯格明子族拓扑结构。
该研究首次揭示了多极米氏散射场中光动量产生斯格明子族结构的普适性规律。如图1所示，在对称分布的Kerker多极子源的叠加散射场中，对称参考面上产生了正则动量场中的半子（Meron）结构；作为对比，在坡印廷矢量场中，由于奇次与偶次多极子源的强度分布的叶状结构叶数不同，奇次多极子散射场中会产生斯格明子结构，而偶次多极子则不会。
图1：Kerker条件下双多极子散射场的动量织构结构 (a) 物理系统示意。(b-e) 多极子散射场强度分布。(b1,2,3-e1,2,3) 观察平面坡印廷矢量和正则动量分布。(b4,5-e4,5) 拓扑数密度分布。
对于所构建的拓扑结构，作者证明了可以通过调控多极子源的相位，产生坡印亭矢量场中的可调螺旋结构，而正则动量场由于其表征相位梯度的特性，无法产生螺旋，如图2所示。
图2：动量场中拓扑结构螺旋度的可调性。
图3：斯格明子与半子的拓扑稳定性
该研究为光学拓扑准粒子的研究提供了新的理论视角：
（1）首次系统地阐释了正则动量与动力学动量所形成的不同拓扑准粒子特征与区别，弥补了该领域长期存在的理论空白；
（2）重新发掘了米氏散射/多极子散射这一简单物理体系（可通过纳米颗粒或超表面等实验平台实现），这是首次提出在米氏散射场中观测斯格明子的方案；
（3）在动量拓扑结构之外，还揭示了该体系中自旋角动量拓扑准粒子的存在，这一发现恰与当前学界研究热点高度契合。
文章链接：
Chen, Peiyang, Lee, Kai Xiang, Meiler, Tim Colin and Shen, Yijie. "Topological momentum skyrmions in Mie scattering fields"Nanophotonics, 2025.
https://doi.org/10.1515/nanoph-2025-0071
