近日，山东师范大学物理与光电学院、光场调控及应用中心蔡阳健教授团队在国际权威期刊《Nature Communications》上发表题为“Partial coherence control delivers skyrmionic topological resilience and transitions”的研究论文。该研究将拓扑斯格明子（Skyrmion）光场拓展至部分相干光体系，建立了部分相干斯格明子光场的统计物理框架，揭示了空间相干性在拓扑态稳定与可控拓扑转变中的核心调控作用。山东师范大学为第一完成单位，刘永雷老师为第一作者，苏州大学陈亚红副教授、王飞教授，新加坡南洋理工大学申艺杰教授，以及山东师范大学蔡阳健教授为通讯作者。

斯格明子最初源于核物理中的拓扑孤子概念，近年来在磁性材料、凝聚态物理等领域展现出巨大的信息存储与处理潜力。当前，斯格明子范式已扩展至电磁波领域，尤其是与结构光束建立了紧密的联系。光学斯格明子表现为非平庸的偏振矢量纹理织构：光束横截面不同位置的光具有不同的偏振方向（如线偏振、圆偏振等），这些偏振态在庞加莱球（Poincaré sphere）上连续映射，形成一个“包裹”整个球面的拓扑结构。该结构的“缠绕次数”由一个称为斯格明子数的整数所量化。理论上，只要偏振纹理保持连续、不发生拓扑破坏，外界干扰就很难改变这一数值。正是因其典型的拓扑保护性及在光信息传输存储、超高精度位移传感等诸多领域展示出极大的应用潜力，光学斯格明子获得了广泛关注。然而，现有光学斯格明子研究局限于高相干激光场构建，一旦遭遇强湍流，斯格明子数便迅速退化，极大限制了其在实际光通信与传感中的应用。自然界中的光场本质上是部分相干，充满随机涨落的，因此如何在部分相干乃至强湍流等真实环境下定义、维持及主动调控光学斯格明子的拓扑结构，成为该领域亟待突破的核心问题。

针对这一科学问题，蔡阳健教授与苏州大学陈亚红副教授、王飞教授及新加坡南洋理工大学申艺杰教授联合团队，从拓扑斯格明子光场的源头入手，主动引入“自带随机性”的结构光，提出并实验验证了“部分相干光学斯格明子”的新概念：这一概念的核心在于，不是发射一束“整齐划一”的高相干拓扑光场，而是发射大量具有相同偏振拓扑但相位随机变化的光模式。这种多模式光场看似“杂乱无章”，但其统计特性（如偏振、空间相干性）保持高度可控的有序性。研究发现，部分相干会引起光束传输过程中空间非均匀退偏，导致传统偏振矢量在庞加莱球上收缩。为此，研究团队通过精心设计的矢量场局部归一化重构，从物理上严格定义了部分相干斯格明子光束的统计框架。在此框架下，拓扑结构保持超强的稳定性，无需长时间积分即可准确读取斯格明子数。此外，适当降低光场的空间相干性能够在强大气湍流中显著抑制斯格明子数的剧烈波动，实现强湍流环境下斯格明子数的稳定输出。其背后的物理机理在于，部分相干光场使得拓扑结构在传播中对局部扰动不敏感，随机涨落被抵消，进而其整体拓扑特征得以保留。这一拓扑稳定性为鲁棒编码自由空间光通信提供了可行路径。

进一步地，研究团队发现，通过设计具有相位不连续性的非高斯空间相干结构，不仅可增强拓扑稳定性，还能主动操控拓扑形态：调控空间相干结构为拉盖尔-高斯关联，可实现单个斯格明子光束转变为嵌套型斯格明子；调控为厄米-高斯关联，则可实现单个斯格明子光束转变为有序的阵列型斯格明子。这意味着，同一套光源系统只需调节相干结构参数，即可实现不同拓扑态之间的灵活切换，进一步展现了“相干即资源”的新范式，也为拓扑光子器件的动态可重构开辟了新的可能。

这项研究让我们认识到，光不再是被动承受干扰的信息媒介，而可以成为自带韧性、可被编程的拓扑载体：拓扑光场中真正的稳健，或许不在于追求完美秩序，而在于驾驭可控而有序的随机性。该工作将光学斯格明子从理想的高相干激光领域拓展至真实、普遍的部分相干光体系，以可控的“有序随机性”将统计光学与拓扑光子学深度融合，为主动保护和塑造拓扑态提供了新工具，为未来抗湍流光通信、拓扑光传感及可重构光计算等应用奠定了理论与实验基础。

该项研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上、青年基金等项目的支持

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-77021-1