当微波电场拥有“拓扑保护”，信息传输将获得天然的稳定性与抗干扰能力。近日，来自新加坡南洋理工大学申艺杰教授的与华中师范大学杨河林教授联合团队，提出了一种自由形式柔性超表面平台，可在微波频段鲁棒生成拓扑保护的斯格明子光场结构。研究成果以“Free-form flexible metasurfaces robustly generating microwave skyrmions”为题发表在Advanced Materials上。文章第一作者为在南洋理工大学交换的华中师范大学博士生付洋，南洋理工大学博士生Nilo Mata-Cervera和博士后谢仁盛提供了理论计算支持，该工作还受到电子科技大学王任老师的指导。
拓扑光场走向实际应用的关键一步：寻求微波频率拓扑保护和更鲁棒的信息传输及其结构形变与稳定性效应，一直以来在微波信息传输、无线通信系统等领域具有重要意义，承载了人们对高稳定大容量信息传输的梦想，尤其最近在微波通信领域成为火热话题，因为自由空间结构光为微波频段提供了更高的维度和更多的自由度去构建拓扑保护结构并让信息稳定传输。
自由空间中的斯格明子具有独特的特性[[Opt. Photon. News, May 2025]]，例如能够在长距离内传播、对扰动具有拓扑稳定性、具有自愈能力，使其成为有望成为下一代信息载体的极具前景的材料，能够彻底改变我们的信息社会。为此，近期出现了一些较为先进的方法，用于设计用于自由空间斯格明子的紧凑型生成器，以替代笨重的空间光调制器（例如[Nat Commun 15, 10141 (2024)], [Sci. Adv.11, eads4797 (2025)], [Phys. Rev. Lett. 135, 033805 (2025)]）。然而，现有的斯格明子生成器具有结构僵化，平面固定结构，这严重限制了它们在未来的无线通信系统中的应用集成。
为此我们提出了全球首个柔性的自由形态超表面平台，用于鲁棒地生成斯格明子。
图 1：用于生成微波频段斯格明子的共形超表面。当自由形态超表面从平面结构（状态 1）转换为圆柱形（状态 2）或三角形（状态 3）时，在线性偏振电磁波的入射作用下，斯格明子从圆形变为椭圆形或菱形。随着s斯格明子边界的变形，其拓扑数保持不变。所有这些结构在生成斯托克斯斯格明子时都表现出很强的鲁棒性。(a)和 (b)分别是 LCP 波和RCP 波的电场强度，(c) 显示的是 Poincaré 球表面上的三维斯托克斯矢量及其在横向平面上的立体投影。
该研究首次实现了自由形式超表面在自由空间中鲁棒的产生微波斯格明子，并系统验证了其在结构缺失和强扰动条件下仍保持拓扑数稳定的特性，为下一代高容量、抗干扰无线通信与智能感知系统提供了全新技术路径。
自由形变柔性超表面实现拓扑鲁棒生成。该工作具有三大创新突破：
研究团队构建了多层柔性超表面结构，通过精确调控几何相位与传播相位，实现对左右旋圆极化波的独立调控。在平面结构下，成功生成拓扑数 Nsk = 1、2、3 的斯格明子结构，仿真结果与理论高度一致，验证了设计的准确性与可扩展性。
更具突破性的是，研究团队将超表面弯曲为圆柱结构与三角结构，通过广义斯涅尔定律进行精确相位补偿。拓扑数对结构形变具有同伦不变性，只要不引入新的奇异点，拓扑特征不会被破坏。该结果表明，斯格明子天然适配柔性器件平台，为可穿戴拓扑光通信奠定了物理基础。
图2：(a) 超表面弯曲的示意图。(b) 斯格明子生成示意图。(c) 显示了b=80° 时Nsk= 2 斯格明子的振幅、相位和斯托克斯矢量纹理图，(d) 显示了a=30° 的三角形结构。(e)和(f)显示了在不同几何参数a和b条件下，由圆柱形和三角结构共形超表面产生的斯格明子数和相应的斯托克斯纹理。
团队进一步进行极端鲁棒性测试：随机移除超表面单元，并统计斯格明子数变化。
结果显示：当单元缺失比例达到 60% 甚至 70% 时，斯格明子数仍保持在接近理论值（约 1.8）水平。这在微波频段属于首次实验验证，充分体现了拓扑保护的工程意义。
实验验证：从理论到微波暗室实测
团队在微波暗室中完成了完整实验验证。测量结果表明：
• 平面结构下斯格明子数Nsk = 1.8328
• 弯曲结构（80°）下Nsk = 1.8098
即使存在制造误差、入射角偏差及近场扰动，拓扑数仍保持高度稳定。这说明斯格明子具有较强的抗干扰特性和真实可用的拓扑保护特性。
图3：超表面实验装置 (a) 正视图和 (b) 后视图。(c) b =0° 的平面超表面的测量结果，包括 RCP 强度 (c1) 和相位 (c2)、LCP 强度 (c3) 和相位 (c4)，以及计算的斯托克斯斯格明子纹理（斯格明子数Nsk=1.8328 (c5)）。(d) b =80° 度共形超表面的测量结果，包括 RCP 强度 (d1) 和相位 (d2)、LCP 强度 (d3) 和相位 (d4)，以及Nsk=1.8098 的斯格明子纹理 (d5)。(c4) 和 (d4) 中的虚线圆圈表示包含拓扑电荷为 l=2 的相位涡旋的空间区域。
开创性意义：不仅实现了微波频段的斯格明子，还首次在微波频率中验证了包括结构形变、结构缺失等对斯格明子拓扑数的影响。这些微波频率斯格明子的拓扑结构均是实验首次观测。
图4： (a) 沿中心区域（第一行）或随机（第二行）移除超表面单元。移除率从左到右分别为 0%、20%、40%、60%、80% 和 100%。从平面超表面随机移除一定比例的单元后获得的斯格明子数（b）模拟结果与（c）实验结果的比较。(b) 中的蓝色区域显示了随机移除超表面单元后斯格明子数的标准差。
该工作将光学斯格明子拓宽到微波频段，将“鲁棒通信’’的需求与斯格明子的“拓扑保护性’’完美结合。提出的柔性超表面平台面向下一代鲁棒无线通信，在高容量无线通信，柔性可穿戴通信系统，抗扰动场编码与智能感知等领域具有重要的应用价值。未来，随着柔性电子与拓扑光子学的进一步融合，斯格明子有望成为下一代鲁棒自由空间通信的重要载体。
撰稿：课题组
