游检卫/申艺杰/马骞/崔铁军等 Nature Electronics | 可编程斯格明子为无线通信与智能感知开辟新的物理载体

导读

随着无线通信、智能感知和人工智能技术的快速发展，未来信息系统正朝着高速率、多通道、低功耗和强鲁棒性的方向演进。无论是在复杂城市环境中的无线传输，还是在非结构化环境中的目标识别，信息载体本身的稳定性、可调控性和抗扰动能力都变得越来越重要。传统电磁波调控主要依赖幅度、相位、频率、极化等物理维度，而近年来兴起的拓扑电磁场则为信息编码和传输提供了新的自由度。

斯格明子是一类具有非平庸拓扑结构的三维矢量场构型，它最初出现在基于磁性材料的凝聚态体系中，后来逐渐拓展到光学和电磁领域。与普通场分布不同，斯格明子的核心特征在于其整体矢量纹理具有拓扑稳定性，这使得斯格明子有望作为一种紧凑、稳定的信息载体。然而，要真正将这种拓扑纹理用于通信和感知，仅仅“产生”斯格明子还不够，更关键的是能否对其进行可靠的动态可编程调控。

近日，东南大学游检卫教授、马骞副教授、崔铁军院士团队和新加坡南洋理工大学申艺杰助理教授合作，提出了一种可编程表面等离激元斯格明子平台。该平台通过在人工局域表面等离激元结构中集成 PIN 二极管，实现了 Néel 型斯格明子与 meron 等拓扑纹理的电控切换，并进一步通过时间调制产生谐波斯格明子。基于这一平台，研究团队展示了图像通信、视频通信、频分复用通信以及智能感知等应用场景验证。该成果以 “Programmable skyrmions for communication and sensing” 为题发表在 Nature Electronics。论文指出，电磁斯格明子有望作为鲁棒信息载体，但其作为实际功能器件需具备可调谐和动态可编程的能力，本工作正是围绕这一关键问题提出了解决方案。本工作的完成单位为东南大学毫米波全国重点实验室和新加坡南洋理工大学。东南大学博士生陈龙和李新羽博士后为论文第一作者，通讯作者为东南大学崔铁军院士、游检卫教授、马骞副教授和南洋理工大学申艺杰助理教授。

图1：用于鲁棒通信和智能传感的可编程斯格明子

研究团队设计的核心器件是一个人工表面等离激元斯格明子平台。人工表面等离激元结构能够在微波频段模拟表面等离激元的局域场增强与束缚传播特性，为构建紧凑的拓扑电磁纹理提供了物理基础。在此基础上，团队进一步引入主动可调单元，将 8 个 PIN 二极管集成到斯格明子结构中，通过控制二极管的“开”和“关”状态改变局域边界条件，从而调控电场矢量的空间分布。这一设计的关键并不只是把开关加入结构，而是使开关状态与拓扑纹理之间建立对应关系。

在众多编码状态中，团队重点研究了两种代表性的拓扑态。当 8 个 PIN 二极管全部处于关闭状态时，可以有效激发基于电场的 Néel 型斯格明子。此时，电场矢量在中心区域近似向上，并逐渐向边缘区域翻转，形成类似“刺猬型”的拓扑纹理。当 8 个 PIN 二极管全部处于开启状态时，结构产生另一类拓扑准粒子 meron，其斯格明子数接近 0.5。这一结果说明，斯格明子的拓扑纹理不再只由固定几何结构一次性决定，而可以通过电控编码方式在同一硬件平台上进行切换。

图2：斯格明子的动态切换

图源：Nature Electronics

除了空间维度上的编码调控，该工作还进一步引入了时间维度。研究团队通过周期性驱动 PIN 二极管，使器件参数随时间变化，从而在频域中产生以基频为中心的一系列谐波分量。这一过程可以理解为：原本只在一个工作频率附近出现的拓扑场结构，在时间调制作用下被搬移到多个谐波频率通道中。

这是本工作的重要创新点。电磁斯格明子的讨论通常集中在空间纹理上，也就是在某一频率处某一空间区域中的矢量场结构。而研究团队将调控维度扩展到时间域，使斯格明子可以在多个谐波频率上出现，并且不同谐波强度可以通过调制协议进行动态控制。从信息应用角度看，这意味着一个斯格明子平台不仅能在空间中切换拓扑态，还能在频域中生成多个可用通道。这样的时空联合调控为后续多用户通信、频分复用和多维信息编码提供了物理支撑。 

图3：谐波斯格明子的产生与频域分布

图源：Nature Electronics

在完成可编程拓扑态调控之后，研究团队进一步将其用于无线通信验证。首先，他们基于 Néel 型斯格明子和 meron 两种拓扑态构建了二进制振幅键控通信系统。发送端将待传输图像转化为二进制比特流，通过微控制器控制 PIN 二极管的开关状态，使器件在两种拓扑态之间切换。接收端利用天线采集信号强度，再经过解码完成图像重构。

在这一方案中，拓扑态不仅是一个物理展示结果，而是直接参与信息编码：编码 0 对应 Néel 型斯格明子，而编码 1 对应 meron。该实验验证了可编程斯格明子平台可作为一种拓扑态调制的无线发射器，用于完成图像级信息传输。 

图4：基于拓扑态编码的图像通信实验

图源：Nature Electronics

除了通过两种拓扑态切换进行 BASK 图像通信，研究团队还进一步展示了视频通信和多用户频分复用通信。在视频通信实验中，团队保持 Néel 型斯格明子纹理，并结合 OFDM 调制方式实现视频流传输。实验结果显示，接收视频的峰值信噪比维持在 40–60 dB，结构相似性指数超过 99%。更进一步，团队利用时间调制产生的谐波通道实现了多用户频分复用通信。这一结果展示了时间调制斯格明子平台在多通道信息传输中的巨大潜力。

拓扑电磁结构之所以受到关注，一个重要原因在于其对一定扰动具有鲁棒性。为了验证斯格明子平台在复杂传输条件下的通信性能，研究团队在发射端和接收端之间加入金属障碍物，并将传统方案与斯格明子发射方案进行对比。实验结果显示，当障碍物存在时，传统方案的图像重构质量明显下降，而采用基于人工表面等离激元斯格明子的发射结构，接收端能获得清晰的图像重构结果。

图5：视频流通信、频分复用通信及障碍物条件下的通信鲁棒性测试

图源：Nature Electronics

除了无线通信应用，该平台还可用于智能感知。其基本思想是：当不同目标物体放置在斯格明子传播路径中时，会对局域电磁场产生不同扰动，这些扰动会改变接收端采集到的电磁响应。由于不同物体的形状、尺寸、材料和姿态不同，它们产生的电磁场散射特征也不相同，因此形成了可识别的“电磁响应特征”。研究团队选取了 20 种动物模型作为识别对象，该平台在目标识别任务中实现了 98.33% 的准确率。因此，斯格明子场不仅能作为无线通信的载体，也可作为一种对环境扰动敏感的结构化电磁探针。

图6：基于可编程斯格明子的智能感知系统

图源：Nature Electronics

作为一个探索性物理平台，该工作仍有进一步的拓展空间。该研究展示了一种可编程电磁斯格明子平台，验证了其在无线通信和智能感知中的应用潜力。它为拓扑电磁场从物理现象走向信息系统功能提供了新的实验路径，但距离大规模工程应用仍需要在远场辐射、系统集成、编码容量和复杂环境适应性等方面继续发展。

Long Chen et al., Programmable skyrmions for communication and sensing. Nature Electronics (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41928-026-01611-6

编辑：赵唯

审核：赵阳

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