《自然·通讯》报道拓扑光子新平台：对称性约束下的光学斯格明子编程

前言

近日，深圳大学纳米光子学研究中心团队与合作者在《Nature Communications》上发表题为的重要研究成果(https://doi.org/10.1038/s41467-026-68635-6)。该研究首次在光学体系中实现了大范围、可编程的拓扑态调控，突破了传统拓扑材料依赖固定物性或结构的限制，为拓扑光子学、高维信息处理和下一代光计算技术提供了全新的物理平台。

核心内容

拓扑转变是描述体系拓扑态发生突变的物理过程，常见于拓扑绝缘体、斯格明子等系统中，其在低能耗电子器件、高密度信息存储和拓扑量子计算中具有重要应用。然而，传统拓扑转变往往受限于材料本身属性或结构刚性，难以实现大范围、可编程的动态调控。

研究团队创新性地将“莫尔超晶格”引入等离子体光子学体系。通过精密调控六角晶格中多个衰逝光波的相位，构造出具有拓扑结构的光学斯格明子晶格，并进一步将两层此类晶格相对旋转，形成莫尔超晶格。研究表明，通过调节莫尔转角与相位参数，可对拓扑不变性（TI）进行连续、可编程的调控，其变化范围可达-58到+58，是目前报道中变化幅度最大的拓扑调控体系之一。

尤为重要的是，研究发现了拓扑不变性的“对称性约束规则”：在六角对称性下，体系不允许出现3/2的整数倍 的拓扑值。这一规律源于晶格对称性与奇异点分布的深层耦合，揭示了实空间拓扑量子化与对称性之间的内在联系。

团队利用表面等离子体激元（SPP）实验平台，通过空间光调制器动态调控光场相位，成功观测到拓扑态随相位参数变化的跃迁过程。实验不仅验证了理论预测的拓扑序列，还实现了从TI=8到0的多种拓扑态之间的程序化切换，展现了该系统在拓扑光子器件中的高度可控性与可扩展性。

研究意义

这项工作的价值远不止于光学领域本身：

首先，它建立了一个高度灵活的拓扑调控平台，将拓扑转变从“材料依赖”和“结构固定”的束缚中解放出来，实现了真正意义上的动态拓扑工程。

其次，它为高维光场调控与拓扑光子计算铺路。可编程的拓扑光场可用于构建新型光逻辑单元、拓扑保护的光子器件，甚至未来可用于光神经网络中的拓扑权重调控。

再者，该系统可作为模拟平台，帮助物理学家在光学系统中研究凝聚态物理中的复杂拓扑相变和奇异量子态，降低研究门槛、拓宽探索空间。

此外，该框架具有高度的可拓展性，类似的物理机制可推广至声学、力学甚至量子比特系统中，为多物理场拓扑调控提供统一思路。

图1:光学拓扑转变的形成与机制

图2:莫尔超晶格中的大范围光学拓扑转变

图3:拓扑不变量的对称性约束离散化

图4:可扩展与可编程拓扑转变的实验演示

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