近日，华南师范大学邓冬梅教授团队与新加坡南洋理工大学申艺杰助理教授团队合作，提出了用于表征光学斯格明子拓扑保护的综合框架，并实现了光学斯格明子的电控产生与调控。在此之前，尽管光学斯格明子的生成和操控已被广泛报道，但在实际扰动下其拓扑结构的内在保护机制仍缺乏定量描述，尤其是空间分布在局部稳健性中的作用。该工作首次提出“拓扑保护度”这一全新概念，定量评估了拓扑织构在扰动下的稳定性。此外，他们设计了紧凑型电控发生器，仅需常规液晶器件（如相位延迟器、Q-plate），即可灵活按需生成各类光学斯格明子。
该研究成果以“Topological protection degrees of optical skyrmions and their electrical control”为题，发表于《Photonics Research》。华南师范大学博士生张赞、南洋理工大学博士后谢希为论文共同第一作者，申艺杰、邓冬梅教授为共同通讯作者，研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、新加坡教育部基金、新加坡科学技术研究局基金和南洋理工大学启动基金等资助。
斯格明子作为一种拓扑稳定的准粒子，最初由托尼·斯格明提出，已在多个物理体系中被预测和观测到，包括玻色爱因斯坦凝聚、自旋电子学和磁性材料等。磁斯格明子的离散化和粒子特性使其对扰动具有稳定性，使其成为高密度数据存储和低能耗磁性存储应用的理想候选者。
近年来，作为磁斯格明子的光学对应物，光学斯格明子已在表面等离激元和自由空间结构光束中被观测到。其拓扑织构可由电磁场、自旋角动量、伪自旋、斯托克斯矢量和能流等多种光学矢量构造[参见近期综述Nat. Photon. 18, 15–25 (2024)，教程Adv. Opt. Photonics 17(2) 295-374 (2025)]。特别是斯托克斯斯格明子能够灵活实现各类可调的拓扑织构，并能在自由空间中传播，这为光场调控与应用提供了新的自由度。
光学斯格明子的拓扑稳定性对其在复杂环境中抵御噪声和缺陷的能力至关重要，为超稳定信息传输与存储奠定了基础。然而，目前大部分研究集中于光学斯格明子的生成与控制，对其拓扑稳定性背后的基本机制仍鲜有探索。特别是，现有分析大多仅依赖于斯格明子数作为全局拓扑指标，而未能充分表征斯格明子织构在扰动下的空间分布及抗扰能力。此外，目前常用的光斯格明子发生器通常体积庞大且系统复杂，这大大限制了其集成化和实际应用，亟需发展更紧凑、更可调的生成方案。
图1.斯格明子在扰动下拓扑稳定性的示意图。
（1）拓扑保护度
研究团队通过将全局斯格明子数Nsk与基于结构相似性的局部度量相结合，在同一织构类中区分了“强”和“弱”拓扑保护区域。斯格明子数Nsk反映拓扑织构的全局信息，而斯格明子密度ρsk描述局部拓扑特征。虽然Nsk在扰动下通常保持稳定，但ρsk可能发生显著变化。在Nsk保持不变的基础上，利用ρsk的稳定性定义斯格明子的拓扑保护度。研究团队通过拓扑相似度（结构相似性指数）来表征斯格明子密度的相似性。当拓扑相似度超过0.8时，认为在扰动下拓扑织构具有“强”拓扑保护度，这表明斯格明子密度保持稳定且基本不受影响。拓扑相似度为1表示斯格明子密度在空间特征上没有任何变化。相反，当拓扑相似度低于0.8对应于“弱”拓扑保护度（如图1）。结果表明，对于相位型和正交偏振型扰动，斯格明子始终表现出“强”拓扑保护度；而对于振幅型和非正交偏振型扰动，仅在局部区域表现出“强”拓扑保护度，在大部分区域表现出“弱”拓扑保护度（图2）。
图2. 三种类型的扰动对斯格明子的影响。（a）：相位扰动；（b）：振幅扰动；（c）和（d）：偏振扰动。
（2）完全电可调的斯格明子发生器
该工作基于液晶相位元件设计了紧凑型斯格明子发生器，可实现多种斯格明子类型的按需生成（图3）。与依赖于复杂且庞大系统（例如 SLM 或 DMD）的传统方法相比，该方法能够实现动态控制并易于系统集成。基于此，本研究通过电控制对斯格明子施加不同类型的扰动，实验分析了光学斯格明子拓扑保护度（图4）。
图3.（a）相位型和（b）振幅型扰动下光学斯格明子的实验装置。
图4. (a):相位型和(b):振幅型扰动下Nsk的变化曲线和ρsk的相似度变化曲线，分别插入拓扑织构的实验结果。
该研究提出了一个用于表征和控制光学斯格明子拓扑保护的综合框架。通过引入局部拓扑保护的概念及其相应的量化指标——拓扑相似度，这项工作为评估局部拓扑纹理在外部扰动下的鲁棒性建立了一个全新的视角，并证明了斯格明子可以表现出不同的保护行为，可分为“强”和“弱”拓扑保护度。值得一提的是，为了实现灵活的控制和实际应用，研究人员开发了一种基于紧凑光学元件的电可调斯格明子发生器，克服了体积庞大的衍射系统的局限性。除了光学斯格明子之外，该框架还可以扩展到其他拓扑光子结构（例如，反斯格明子、高阶斯格明子），使其成为探索和利用复杂光场中拓扑鲁棒性的广泛适用工具。
该研究并不主张光学斯格明子对每种扰动都具有普遍的鲁棒性；相反，研究定义了它们的拓扑保护并建立了相应的可进一步扩展的框架。研究人员总结了与实际扰动相对应的参数变化及其对拓扑织构的影响（表1），并强调Nsk作为最普适的全局拓扑量，能够有效地反映系统的拓扑稳定性。对于更精确的情况（例如，表征结构细节），研究斯格明子密度是一个更好的方案，它为评估变换或扰动过程中的拓扑保护提供了更全面的指标。
注：1光束传播引起的模式Gouy相移；2介质对左、右旋圆偏振光的吸收率不同；3四分之一波片和半波片导致线偏振与圆偏振间转换；4对两个偏振基的非幺正扰动导致非正交偏振；
与
分别表示在对应条件下Nsk或ρsk是否保持稳定性。
该研究提出的方法可以进一步推广到磁性材料、铁电、声波、水波及更广阔领域的拓扑织构中。其研究结果为提高拓扑结构光的鲁棒性、可调谐性和功能化提供了理论和实验基础，并为光信息处理、存储和拓扑光子器件中的应用开辟了新的可能性。
文章链接：
