导读

在拓扑光子学与纳米光场调控领域，在低损耗平台上实现可调谐的拓扑光场纹理，是推动片上拓扑光学器件、结构化光场调控以及拓扑信息处理技术发展的关键。近日，德国斯图加特大学与慕尼黑大学的联合团队提出并实验实现了一种基于碳化硅薄膜的声子极化激元斯格明子晶格，首次在纳米尺度清晰观测到声子极化激元体系中从气泡型（bubble-type）斯格明子到奈尔型（Néel -type）斯格明子的连续拓扑转变，为低损耗、强限域、可调谐拓扑光场的构建提供了全新路径。

该研究成果近日发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Phonon-polaritonic skyrmions: Transition from bubble- to Néel-type”。斯图加特大学的Florian Mangold和慕尼黑大学的Enrico Baù为论文的共同第一作者，慕尼黑大学的Andreas Tittl和斯图加特大学的Harald Giessen为论文的共同通讯作者。

研究背景

拓扑缺陷是一类具有特殊稳定性和鲁棒性的物理结构，其拓扑特性通常不易受到小扰动或连续形变影响。近年来，拓扑缺陷已成为凝聚态物理、磁学、流体力学、宇宙学和光子学等多个领域的重要研究对象。其中，斯格明子是一种具有非平庸拓扑结构的矢量场构型，最初由 Tony Skyrme 在粒子物理背景下提出，随后在磁性材料中得到广泛研究。磁性斯格明子由于其稳定性、小尺寸以及可操控性，在高密度信息存储、新型计算器件中具有潜在应用价值。近年来，斯格明子的概念进一步拓展到光学体系中，形成光学斯格明子，为基于光场构筑拓扑结构与实现拓扑光场调控开辟了全新路径。

此前，研究人员已经在金薄膜等金属体系中，通过表面等离极化激元干涉实现了光学斯格明子晶格。然而，这类光学斯格明子多呈现气泡型拓扑结构，其面内电场分量几乎为零，拓扑纹理的可调谐性严重有限。理论上，大幅提升表面波的场局域程度有望产生具有径向面内电场分布的奈尔型光学斯格明子；但在金属等离激元体系中，强局域区域往往伴随着严重的欧姆损耗，大幅缩短表面波的传输寿命，导致该拓扑态难以在实验上实现。因此，在低损耗平台中实现不同类型光学斯格明子之间的可调控拓扑转变，长期以来都是拓扑纳米光子学领域的关键科学难题。

碳化硅（SiC）等极性电介质为解决上述问题提供了新的材料平台。碳化硅在横向光学声子与纵向光学声子频率之间的剩余射线带（Reststrahlen）内呈现负介电常数，可支持表面声子极化激元激发。与金属表面等离极化激元不同，表面声子极化激元源于光子与晶格振动的强耦合，通常具有更低的本征损耗和更长的传输寿命。同时，碳化硅在该光谱范围内表现出显著的亚线性色散，可使极化激元波矢在窄激发带宽内发生剧烈变化。这一强色散特性使研究人员仅通过微小波长调节，即可有效调控电场面内与面外电场分量的比值，从而为光学斯格明子拓扑纹理的连续调控提供了可能。

创新研究

本研究创新性地提出并实现了声子极化激元斯格明子这一新型拓扑光场结构。研究团队通过在 200 nm 厚的悬空碳化硅（SiC）薄膜上制备六边形铬栅结构，利用圆偏振中红外光垂直入射激发表面声子极化激元。为了在结构中心形成稳定的斯格明子晶格，需使沿六个方向上传播的表面声子极化激元波在中心相干叠加。研究人员对六边形边界进行相位补偿设计，将每条边相对理想六边形向外偏移表面声子极化激元波长的整数分之一，从而保证不同方向传播的极化激元波在中心区域构成具有拓扑纹理的干涉场。

在实验表征方面，研究团队采用相位分辨透射式散射扫描近场光学显微镜（phase-resolved scattering scanning near-field optical microscopy）对声子极化激元斯格明子晶格进行直接近场成像。该技术利用纳米探针与局域近场相互作用，将样品表面的近场信息散射到远场，并结合伪外差探测实现振幅与相位信息的同步提取。实验采用了透射式激发构型：圆偏振中红外光从样品下方入射，由边缘结构率先激发表面声子极化激元，探针作为近场散射器读取局域光场信息。这一设计有效避免了不同激发通道之间的干扰，支持高分辨率重构面外电场分布，并可借助电磁边界关系进一步还原完整三维电场矢量。

研究发现，声子极化激元斯格明子的类型可通过激发波数实现连续调控。在使用波数为830 cm^-¹的激发光的条件下，实验获得的斯格明子晶格表现出明显的气泡型特征：斯格明子数密度集中分布在狭窄的环形区域内，电场极角沿径向由 0 快速跃迁至 π，对应边界清晰、陡峭的畴壁结构。随着激发光的激发波数增加至 850 cm^-¹ 和 900 cm^-¹，碳化硅中的表面声子极化激元面内动量显著增大，面内电场分量随之增强，电场矢量的空间旋转更为平缓，斯格明子数密度由环状分布逐步演化为齿轮状的奈尔型拓扑纹理。各个晶格单元测得的斯格明子数均接近1，说明该拓扑结构具有良好的稳定性和鲁棒性。

为了定量表征这一拓扑转变过程，研究团队引入并改进了斯格明子数密度对比度分析方法。鉴于实验数据中的极值易受噪声、局域缺陷和空间分辨率影响，研究人员使用第 5 百分位数和第 95 百分位数替代传统极值，从而获得更加稳健的拓扑纹理对比度。结果显示，随着激发波数升高，斯格明子数密度对比度从接近气泡型特征的高值逐步降低到奈尔型特征区域，与数值模拟结果高度吻合。进一步地，研究团队借鉴磁性斯格明子研究中的畴壁概念，提出了反畴壁陡峭度和畴壁宽度两个新的表征参量。这两个指标基于电场极角的空间变化，能够更加直观地反映气泡型斯格明子中陡峭畴壁与奈尔型斯格明子中平滑畴壁之间的差异，并且在实验数据中表现出较强的抗噪声能力。

图1：通过近场显微镜实现表面声子极化激元斯格明子晶格的生成、调控与探测。 a 为形成声子极化激元斯格明子晶格，六束表面声子极化激元（surface phonon polaritons, SPhP）波（红色箭头所示）由位于 200 nm 厚的碳化硅薄膜上的六边形铬条激发，并在每个结构的中心发生相干干涉。该结构在法向入射的圆偏振光照射下工作。b 为分别设计用于 830 cm-¹、850 cm^-¹ 和 900 cm^-¹ 激发波数的激发光的典型铬结构的扫描电子显微镜（SEM）图像，比例尺为 10 μm。c 这些结构被置于透射模式工作的散射扫描近场光学显微镜（s-SNOM）中进行光学表征，其中圆偏振激光脉冲激发表面声子-极化激元斯格明子晶格。在扫描碳化硅薄膜的过程中，s-SNOM 探针与局域近场相互作用，并将面外电场散射到远场。d 由于碳化硅具有强色散特性，调节剩余射线带内的波数会导致 SPhP 的面内动量（k∥）发生显著变化，从而引起从气泡型到奈尔型斯格明子的连续转变。这种转变代表了场纹理中可观测的拓扑性质变化。在图中，不同斯格明子类型对应的激发区域用不同颜色标出。相应的斯格明子数密度以简化形式表示，其中棕色、黄色和白色分别表示高、中、低密度区域。

图2：不同激发波长下表面声子-极化激元斯格明子的模拟结果。 a–d 为模拟电场的三维矢量图。灰色线标出了用于二维截面分析的切割平面。随着面内电场强度逐渐增强，电场矢量的取向变化清晰可见，并导致斯格明子从气泡型向奈尔型连续转变。为便于观察，图中突出显示了极角 θ 的增大以及畴壁尺寸的变化。畴壁由红色区域（箭头向上）和蓝色区域（箭头向下）之间的白色区域表示，并用黑色三角箭头标出。e–h 为对应于 a–d 的斯格明子数密度 s，展示了斯格明子晶格从气泡型向奈尔型的转变过程。白色六边形网格标出了晶格的各个单元。

图3：表面声子极化激元斯格明子晶格从气泡型到奈尔型转变的实验测量结果。 a–c 展示了从气泡型到奈尔型斯格明子的转变过程，分别给出了在波数为（a）830 cm^-¹、（b）850 cm^-¹和 （c）900 cm^-¹的激发光条件下测得的面外电场 Ez 实部、极角 θ以及斯格明子数密度s。正如理论预期，Ez的实部不随激发波长发生明显变化。相比之下，极角 θ在气泡型斯格明子中表现出清晰分隔的畴结构，而在奈尔型斯格明子中，各晶格单元内的畴结构变得更加弥散。斯格明子数密度 s显示出从气泡状结构到类似齿轮状的奈尔型结构的连续转变，并与图2 e–h中的模拟结果高度一致。每个斯格明子晶格单元中的斯格明子数均约为 1。d 展示了斯格明子数密度对比度从气泡型到奈尔型的调控过程。彩色曲线表示模拟结果，散点表示实验数据。

图4：用于研究斯格明子从气泡型到奈尔型转变的三个品质因子比较：斯格明子数密度对比度、反畴壁陡峭度和畴壁尺寸。 图中曲线表示模拟结果，散点表示实验测量数据；所有数据均经过归一化处理，使晶格单元长度设为 1。a 为采用此前方法得到的斯格明子数密度对比度。b、c 分别为依赖于极角的畴壁陡峭度和畴壁尺寸品质因子，它们能够捕捉从气泡型到奈尔型斯格明子连续转变的关键特征。实验数据与模拟结果表现出更好的一致性，说明本研究引入的这些品质因子对实验数据中的异常值具有较强的鲁棒性。

总结与展望

该研究首次在极性介质体系中提出并实验验证了声子极化激元斯格明子，为拓扑光子学提供了一种低损耗、强限域且可调谐的新型平台。通过设计的六边形纳米结构和碳化硅薄膜中的表面声子极化激元干涉，研究团队成功构筑了纳米尺度的斯格明子晶格，并利用碳化硅在剩余射线带内的强色散特性，实现了从气泡型到奈尔型光学斯格明子的连续可调转变。这一结果突破了传统金属等离激元体系在强限域区域受到高损耗限制的瓶颈，展示了声子-极化激元在拓扑光场调控中的独特优势。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02332-3