2026 年 5 月 26 日，华南理工大学 Satoshi Aya 团队联合南京邮电大学、南方科技大学等单位在《Nature Communications》发表题为 Self-charged polar nematic monopoles and hybrid topological states: intertwining and domain integration 的研究论文。研究团队在铁电向列液晶中发现了具有本征自电荷的非经典电单极子及多种杂化拓扑态，并展示了利用极性孤子构建大尺度带电阵列的途径。实验中，研究人员使用 Aresis Tweez 305 多光阱纳米光镊系统进行多焦点、位置可控的光热调制，以控制液晶气泡的生长、流动和成核，为极性拓扑畴的集成提供了关键实验工具。

设备图｜Aresis Tweez 系列 多光阱纳米光镊系统。 图片来源：艾锐斯科技（北京）有限公司。

非对称约束带来多样化极性拓扑态

极性拓扑孤子是由自旋或偶极矢量场形成的局域结构，兼具粒子与波的特征。如何获得种类丰富、可控且能够有序集成的极性拓扑结构，是凝聚态物理和软物质研究中的重要问题。

研究采用铁电向列液晶 RM-OC2，并在玻璃基底上制备顶部向空气开放的微尺度限域结构。玻璃基底与液晶-空气界面施加不同的锚定条件，由此形成非对称限域。研究发现，冷却速率会改变液晶气泡的成核几何：较快冷却（约大于 0.1 K/min）倾向于形成圆柱形限域和扭曲 meron 单极子 LM、RM；较慢冷却（约小于 0.02 K/min）倾向于形成半球形限域，并稳定含有嵌套 skyrmion-toron 核心的杂化 meron 态 LH、RH。在中间冷却速率下，单极子态与杂化态可以共存。形成后的结构在室温下至少可稳定数日。

图 1｜非对称限域下自充电极性孤子及杂化拓扑态的多样性。 (a) 平坦、对称锚定条件下的 meron 构型；(b) 顶部向空气开放的曲面限域及其对 skyrmion/toron 类结构的稳定作用；(c-d) 左手与右手的单极子态 LM、RM 和杂化态 LH、RH 的偏振光显微图像及扭转角分布；(e-f) RM、RH 的荧光共聚焦偏振显微图像、三维极化场重构及其在 S² 流形上的原像。图片来源：Zou et al., Nature Communications 17, 6843 (2026)，论文 Fig. 1。

极性通量的相互作用与多体拓扑构型

论文进一步揭示了扭曲 meron 之间由向列弹性与电极性相互作用共同决定的耦合规律。具有相同 screw sense（螺旋旋向）的两个 meron 相互排斥，接触时由畴壁阻止其合并；具有相反 screw sense 的两个 meron 则相互吸引，可暂时形成菱形位错环，并最终弛豫为单个 meron。极性通量之间的这种“交织”机制，使双体、三体乃至更复杂的拓扑组装成为可能。

非对称边界还能稳定通常难以独立存在的 meron 与 antimeron，使其可作为独立准粒子参与操控和组装。研究由此提出：可将这些带有局域电荷的孤子视为基本构筑单元，在绝缘流体中形成能够充当局域导体的带电阵列。

Tweez 305：以多焦点光热调控连接单个孤子与阵列集成

在畴集成实验中，研究人员将自制温控台与倒置显微镜、Aresis Tweez 305 多光阱纳米光镊系统结合使用。样品保持在各向同性相-铁电向列相转变温度附近；波长 1064 nm、焦平面功率 5-50 mW 的红外激光聚焦到带有微通道图案的 ITO 玻璃表面，由 ITO 吸收光并转化为热。

Tweez 305 可将光束数字化分成多个可独立寻址的焦点，并分别设置焦点位置和功率占比。通过优化焦点的数量、位置和功率，研究团队在局部熔化铁电向列相区域的同时建立空间温度梯度，进而调节微通道中的流动和位置依赖成核。达到目标拓扑态后关闭激光，样品在铁电向列相中平衡并接受后续表征。

该光热控制方法使种子 meron 能够通过温度梯度驱动的流动，在相邻区域诱导出具有相同拓扑性质的新 meron。新生结构继承前一个种子的手性与 screw sense，从而实现可重复的一维 meron 阵列生成。这里，Tweez 305 的核心作用不是直接“刻写”极化方向，而是构造可编程的多点温度场，控制液晶相变、流动与成核过程。

图 2｜单极子与杂化拓扑态的形成路径及种子诱导机制。 (a) 快速和慢速冷却对应的圆柱形、半球形成核路径；(b-c) 快速冷却下扭曲 meron 的成核生长模拟及扭转能、极化梯度能和静电能演化；(d-e) 慢速冷却下杂化拓扑态的形成模拟及自由能演化；(f) 种子 meron 诱导产生相同 screw sense 的新 meron 的数值模拟。图片来源：Zou et al., Nature Communications 17, 6843 (2026)，论文 Fig. 5。

研究意义

这项工作表明，边界锚定不对称性、冷却速率和流动场可以协同调控铁电向列液晶中的极性拓扑结构，实现从自充电单极子、杂化 meron-skyrmion-toron 态到多体组装及带电阵列的跨尺度连接。相较于传统固态铁电体，流体体系兼具可重构性与拓扑稳定性，为研究集体孤子动力学，以及开发可重构铁电结构和自适应极性器件提供了新平台。

在这一过程中，Aresis Tweez 305 提供的多焦点扫描与独立功率分配能力，将光场转化为可编程的局部温度场，为微流动、相变界面和拓扑成核的精细协同控制提供了实验手段，也展示了光镊系统在软物质拓扑、液晶微流控和非平衡自组装研究中的应用潜力。

论文信息

论文标题：Self-charged polar nematic monopoles and hybrid topological states: intertwining and domain integration

期刊信息：Nature Communications 17, 6843 (2026)

发表日期：2026 年 5 月 26 日

DOI：10.1038/s41467-026-73557-4

作者：Yu Zou, Jidan Yang, Zhongjie Ma, Zening Hong, Aile Sun, Xiang Huang, Minghui Deng, Mingjun Huang, Qi-Huo Wei, Satoshi Aya

通讯作者：Satoshi Aya（华南理工大学）

作者单位：华南理工大学、南京邮电大学、南方科技大学

论文中使用的光镊系统：Tweez 305, Aresis d.o.o./艾锐斯科技（北京）有限公司

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