近日，Photonics Research刊登了南京大學陸延青教授團隊、南京郵電大學李炳祥教授團隊和芝加哥大學Juan J. de Pablo教授團隊在三維液晶孤子操控研究中的新進展，相關工作“Grating mediated by three-dimensional director solitons”(Photonics Research 2025, 13, 2240-2245.) 通過表面光控取向層來調控對液晶的錨定能，并在電場控制下進一步操控了孤子的成核，實現(xiàn)了三維液晶孤子的多維度操控，展示了空間周期分布型孤子光柵在光場調控方面的應用。這種基于光控取向技術的液晶孤子光柵，在空間結構操控方面具有高度靈活性，且能夠在電場控制下于光柵和波片之間實現(xiàn)切換，為孤子在光信息復用器件的應用開發(fā)開辟了一條有前景的道路。

該工作利用晶萃光學JCOPTIX提供的光源器件，操控取向層的錨定能，展示了一個具有分光能力的液晶孤子光柵。

自1834年英國科學家Russell首次觀察到水波孤子現(xiàn)象以來，這種能夠保持形狀和速度不變的特殊波動形式已成為物理學、數(shù)學、信息科學及天文學等多學科交叉研究的熱點。液晶，憑借其獨特的軟物質特性與可控的各向異性響應，成為研究孤子產生機制、動力學行為及其調控規(guī)律的理想平臺。

液晶孤子的研究最早可追溯至20世紀60年代。當時，研究人員開始關注到向列相液晶中由空間受限效應引發(fā)的指向矢（即光軸）局部擾動現(xiàn)象。然而，當研究擴展到高維體系時，由于自由能會隨孤子尺寸的減小而降低，導致孤子結構極易發(fā)生塌縮。自此，高維動態(tài)孤子的穩(wěn)定性成為困擾學界的重大問題。近年來，研究人員在負性向列相液晶中成功觀測到一種具有優(yōu)異穩(wěn)定性的三維動態(tài)孤立波。這種特殊的波動形式表現(xiàn)為液晶分子的碗狀空間構型畸變，在傳播過程中具有穩(wěn)定的波形結構和運動速度，且在碰撞后仍能維持穩(wěn)定（Nat. Commun., 2018, 9, 2912）。這一發(fā)現(xiàn)在實驗上證實了高維非拓撲孤子可以穩(wěn)定存在?；谶@一突破，研究團隊隨后取得了一系列重要進展：實現(xiàn)了對三維動態(tài)孤子運動方向的精確調控（Nat. Commun., 2019, 10, 3749）、開發(fā)了基于孤子效應的微米級顆粒定向輸運新技術（Phys. Rev. Res., 2020, 2, 013178）、構筑了孤子“機關槍”（PNAS,2024, 121, e2405168121）、探索了孤子在界面處的動力學行為（PNAS, 2025, 122, e2501488122）。這些成果為微納尺度下的物質操控提供了全新思路。

目前基于對三維液晶孤子的基礎研究，科學家們探索了孤子在微米級顆粒定向輸運技術里的應用，除此之外，孤子是否還能應用于其他領域呢？針對這一問題，研究團隊通過自研的光控取向技術來操控取向層的錨定能，在均一背景中調控了孤子的成核時機和位置，并展示了相關光柵結構的分光能力。

作為可流動的“晶體”，液晶具有長程取向序。微米尺度內液晶分子的平均取向代表了相應局部區(qū)域的光軸，也被稱作液晶指向矢。當液晶被限制在玻璃基板內時，其指向矢方向會隨著取向層的取向改變（圖1 a）。研究團隊利用光控取向技術，引入雙光源取向體系（365 nm 和405 nm），在均一的取向層表面背景下精確定制特定區(qū)域中的取向和錨定能（圖1 b）。其中取向由入射紫外偏振光的偏振方?jīng)Q定。而錨定能則由入射光源的波長決定：經(jīng)波長為365nm的光源照射過的取向層，其對液晶的錨定能更低，孤子成核時所需的外加電場幅值更低。因而，在無外加電場時，均一的液晶層便可作為波片使用（圖1 c）；當電場激發(fā)孤子產生時，孤子和均一液晶交替排列，構成二值光柵，展現(xiàn)分光能力（圖1 d）。

圖1. 光控取向及三維液晶孤子的操控

基于光控取向技術，研究團隊采用兩種光源制備了均一取向的液晶層（圖2 a）。當逐步增加外加電場幅值時，孤子先從365 nm光源取向處成核（圖2 b和c）。之后弱錨定能處被孤子全部填充，而高錨定能處依舊保持均一取向狀態(tài)。孤子和均一狀態(tài)的交替變化，構成了二值光柵（圖2 d和e）。當電壓進一步增大后，高錨定能區(qū)域也會被孤子占據(jù)，進而喪失分光能力（圖2 f）。

圖2. 液晶孤子光柵及其分光能力

從液晶撓曲電效應這一基本規(guī)律出發(fā)，結合表面光控取向層來調控對液晶的錨定能，該研究揭示了負性向列相液晶中三維孤子的成核控制，并探索展示了孤子在光柵器件中的應用，實現(xiàn)了從理論預言到實驗驗證的重要突破。液晶孤子光柵的構筑不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)孤子研究的認知框架，更揭示了液晶系統(tǒng)中獨特的孤子操控規(guī)律。在微納技術領域，孤子的精準操控能力為開發(fā)新一代微納機器人、智能傳感系統(tǒng)和可編程微流控器件提供了關鍵技術支撐；在信息科技方面，基于孤子的光柵器件可望實現(xiàn)新型光信息處理和可重構波動計算平臺。這些突破性進展展現(xiàn)了從基礎科學到工程應用的重大價值，為未來智能材料和信息技術的革新奠定了重要科學基礎。

南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院2021級直博生李超逸、南京郵電大學教授湯星舟為本文第一作者。南京大學陸延青教授、劉袁博士，南京郵電大學李炳祥教授為本文共同通訊作者。南京大學王澤宇，芝加哥大學Juan J. de Pablo教授、孫戈，南京郵電大學黃志軍亦對本文有重要貢獻。該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金與江蘇省前沿引領技術基礎研究專項等項目資助。

作者特別感謝南京晶萃光學科技有限公司（JCOPTIX）提供的光學元件與儀器支持。