近日，深圳大学闵长俊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，基于透明介质多层膜激发的布洛赫表面波（BSWs），提出了一种全新的拓扑磁场晶格，突破了传统基于贵金属的表面等离激元（SPPs）平台高损耗、易发热的瓶颈，可在芯片尺度上实现超长传播距离（> 200 μm）和极低热效应（ΔT ≈ 0.44 K）的拓扑光场，同时在磁场和自旋矢量中发现了丰富的拓扑结构。通过调控入射光的偏振与相位，能够灵活切换hexagonal、hexagonal vortex、kagome、honeycomb等四类拓扑晶格，并进一步实现纳米颗粒的有效捕获、旋转以及尺寸分选的功能，为集成化光流体芯片和高通量生物操控、传感开辟了新路径。
该工作以“Topological Magnetic Lattices for On-Chip Nanoparticle Trapping and Sorting”为题，于 2025 年 6 月17日在线发表于《Nano Letters》。深圳大学研究生徐鸿阳、南洋理工大学博士后谢希为共同第一作者，深圳大学闵长俊教授、南洋理工大学申艺杰助理教授为共同通讯作者，深圳大学袁小聪教授对此项工作进行了指导。此项研究得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础重大项目、深圳市科技计划、新加坡教育部项目等多项资助。（文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c02383）
金属–介质界面上的表面等离激元（SPP）能够在亚波长尺度产生增强的近场电磁场和可调控的自旋-轨道耦合，为“拓扑化”光场提供了天然平台。自2018 年《Science》首次报道基于SPP平台的光学斯格明子（Skyrmion）1之后，研究者又借助SPP平台陆续构筑出moiré晶格2、4D拓扑准晶3、斯格明子袋（Skyrmion bags）4等一系列奇异场织构（texture），其丰富的拓扑多样性不断刷新人们对拓扑光场的认识。SPP拓扑光场已成为精准操纵光-物质相互作用及发展片上光子学的重要引擎，在纳米操控、超分辨测量等前沿方向展现出独特优势。
然而，金属材料内禀的欧姆损耗与局域热积累给SPP 拓扑光场的产生与实际应用带来严峻挑战，其固有的高损耗（导致传播长度常被限制在~ 10 µm 以内）和热效应（高功率激发会引发数十度以上的温升）严重阻碍了低损耗、大面积器件应用的发展。
因此，如何在继承SPP 深亚波长束缚和强自旋-轨道耦合优势的同时，克服金属引起的能量衰减与热效应难题，是拓扑光场研究领域亟待突破的关键科学问题。
如图1a所示，研究人员通过在多层透明介质膜上激发六束朝中心传播的BSW，干涉产生出周期性光学晶格结构。通过理论分析和数值模拟，发现SiO2/Si3N4多层介质膜激发的 BSW将传播长度从传统 SPP 的 14 µm 延伸到 214 µm，同时把局域温升从 64.6 K 降到 0.44 K（图 1f-h）。这为片上拓扑光场的大面积产生与调控奠定了优秀的物理平台。
图1: BSW晶格光场的激发方法示意图及与SPP的特性对比。
2、通过调控总角动量实现拓扑晶格的切换
研究人员利用理论分析和仿真模拟（图2），通过改变入射光的总角动量，实现了对所产生的光学晶格的空间排布方式的操控。结果表明，六方激发的BSW能够产生hexagonal / hexagonal vortex / kagome / honeycomb四种磁场晶格，并进一步证明了对于这种激发模式，其磁场的空间排布方式只有上述四种类型。
图2：四种BSW晶格光格的解析结果与FDTD仿真结果。
3、产生磁场矢量&自旋矢量的拓扑织构
光学斯格明子（Skyrmion）等拓扑准粒子因其拓扑保护性，展现出优异的稳定性与鲁棒性，近年来在光场调控、位移传感与信息编码等领域引发广泛关注，已成为拓扑光子学中极具应用前景的研究热点。本工作构建的磁拓扑晶格同时具有磁场矢量与自旋矢量的拓扑织构特征。结果显示，hexagonal vortex 与kagome 晶格（见图3(b1, c1)）中的磁场分布呈现两个Néel 型meron 结构，对应于图2(b2, c2)中的涡旋相位分布，在磁场图中形成交替正负极性的方形图案。而未引入螺旋相位的hexagonal 晶格（图3(a1)）则形成了典型的磁场 Skyrmion 结构；相比之下，蜂窝晶格（图3(d1)）由于相位呈现二元分布（见图2(d2)），在磁场图中显现出具三角形构型的 meron 结构。
图3:四种BSW晶格的磁场分量(a1-d1)，自旋分量(a2-d2)和能流分量(a3-d3)。
4、拓扑晶格光场对纳米颗粒的捕获与尺寸分选
得益于拓扑晶格所具备的近场增强效应与自旋–轨道耦合特性，该类光场在纳米颗粒光镊操控中展现出天然优势。本研究进一步研究了不同拓扑格型在颗粒捕获中的光学力与捕获势阱（图4）以及颗粒尺寸分选性能表现（图5）。研究人员基于有限元方法，综合引入流速场、粘滞阻力、布朗运动及光学梯度力等多重因素，对BSW拓扑光晶格作用下的金属纳米颗粒动力学行为进行了仿真模拟。结果表明：hexagonal晶格可在近场中形成稳定的环形势阱，实现有效捕获；引入螺旋相位的hexagonal vortex晶格不仅具备捕获能力，还可驱动被捕颗粒产生稳定旋转；honeycomb晶格则因其更高的势阱密度，具备更强的空间控制能力。进一步针对两种尺寸颗粒（40 nm，绿色；50 nm，紫色）的模拟分析表明，这三种晶格均可实现两种颗粒的尺寸分选效果，验证了BSW拓扑光场在高精度粒子操控方面的应用潜力。
图4: 四种BSW晶格的捕获势阱（上图）和面内光学力分布（下图箭头）。
本工作基于透明介质多层膜激发的 BSW，首次构筑了磁性拓扑光学晶格，并可通过调节入射自旋-轨道角动量在快速切换六角、旋涡、Kagome 与蜂窝四种晶格结构。得益于介质平台的超低损耗，晶格传播长度达214 µm、温升仅0.44 K，较传统SPP 平台展现出显著优势。该平台不仅可实现纳米颗粒捕获与旋转，还展示了不同尺寸纳米颗粒分选能力，为片上拓扑光流控与高通量生化检测提供了新方案。展望未来，BSW拓扑晶格凭借可编程相位-偏振控制与磁矢量自由度，不仅有助于深化对由自旋-轨道耦合驱动的拓扑转移机制的理解，同时也为新型纳米光镊捕获与分选系统及其在其他波动系统（如弹性波和水波）中的扩展开辟了新的机遇。
文献引用
1.Tsesses, S. et al. Optical skyrmion lattice in evanescent electromagnetic fields. Science 361, 993–996 (2018).
2.Meng, Z. et al. Atomic Bose–Einstein condensate in twisted-bilayer optical lattices. Nature 615, 231–236 (2023).
3.Tsesses, S. et al. Four-dimensional conserved topological charge vectors in plasmonic quasicrystals. Science 387, 644–648 (2025).
4.Schwab, J. et al. Skyrmion bags of light in plasmonic moiré superlattices. Nat. Phys. (2025) doi:10.1038/s41567-025-02873-1.
