自1834年英國工程師Russell觀察歸納了形狀和速度保持不變的水波孤子以來，孤子（又稱孤立波）已成為物理、數(shù)學(xué)、信息、天文等多學(xué)科的研究熱點，并被廣泛應(yīng)用于粒子物理、非線性光學(xué)、超導(dǎo)體、液晶等系統(tǒng)。它可以是太空中的黑洞、海洋中的漩渦現(xiàn)象、大氣中的風(fēng)暴眼，甚至于人體內(nèi)的神經(jīng)脈沖。近年來，科學(xué)家們在液晶中發(fā)現(xiàn)了一系列有趣的孤子。其中，向列相液晶中的三維取向孤子的發(fā)現(xiàn)更是攻克了高維非拓撲孤子難以穩(wěn)定存在的挑戰(zhàn)。這類孤子容易于不均勻的邊界和隨機的微粒處產(chǎn)生，其生成位置和行進方向存在較大的不確定性。如何精確控制孤子的定點產(chǎn)生和自由調(diào)控孤子的運動模式，仍是當(dāng)前孤子研究所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

近日，南京大學(xué)陸延青教授，南京郵電大學(xué)李炳祥教授，芝加哥大學(xué)Juan J. de Pablo教授和康奈爾大學(xué)Nicholas L. Abbott教授合作在液晶物理學(xué)領(lǐng)域取得了新進展，解決了三維液晶孤子產(chǎn)生區(qū)域和運動方式難以預(yù)測和控制的難題。合作團隊使用光控取向技術(shù)，實現(xiàn)了孤子的定點產(chǎn)生、區(qū)域局域和運動調(diào)控。相關(guān)成果通過直投的方式，以“Command of three-dimensional solitary waves via photopatterning”為題，發(fā)表于美國國家科學(xué)院院刊PNAS 121,e2405168121 (2024)。

該工作通過光控取向技術(shù)，在均一的向列相液晶表面背景下精確定制特定區(qū)域中液晶的取向。該工作首先取用一種波長的線偏振紫外光（如405 nm）制備均一取向的背景，再通過另一種波長的線偏振紫外光（如365nm），由開關(guān)數(shù)字微型反射鏡配合微調(diào)偏振片制備定制結(jié)構(gòu)中的液晶取向。在該工作中，背景區(qū)域的錨定能要高于指向定制區(qū)域。在圖1中，不同的定制圖案在合適的電場環(huán)境中都定點產(chǎn)生了孤子。在實現(xiàn)定點產(chǎn)生孤子的基礎(chǔ)上，該工作分別研究了光控取向區(qū)域的大小和指向取向?qū)伦赢a(chǎn)生的影響，控制了固定點域孤子產(chǎn)生的時機和數(shù)量。在相同電場條件下，內(nèi)外指向矢差異越大的結(jié)構(gòu)更容易發(fā)射孤子，且單位時間內(nèi)發(fā)射的孤子數(shù)量更多。在圓形的指向定制區(qū)域下，孤子可能隨機的沿著垂直于背景指向矢的兩個方向進行運動。

圖1.(A)均一取向和（B）特殊結(jié)構(gòu)取向示意圖；（C）孤子產(chǎn)生示意圖；（D-F）孤子的定點產(chǎn)生和定軌運動

為了進一步提高孤子的可控性，作者提出并設(shè)計了波導(dǎo)式取向結(jié)構(gòu)（圖2）。這種結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了孤子的單向發(fā)射，還將孤子的產(chǎn)生由點擴大到線，可在單位時間內(nèi)產(chǎn)生更多的孤子。

圖2.(A)波導(dǎo)式結(jié)構(gòu)的內(nèi)部取向；（B-F）波導(dǎo)式結(jié)構(gòu)在不同電壓下，產(chǎn)生孤子的情況；孤子的單向產(chǎn)生（E）實驗，（G）仿真

實驗還表明孤子可以被局域在特別設(shè)計的復(fù)雜區(qū)域內(nèi)（圖3）。

圖3.(A,D)局域結(jié)構(gòu)的內(nèi)部取向；（B,E）局域結(jié)構(gòu)的顯微照片；（C,F）孤子的局域

實驗和數(shù)值仿真證明了可以通過可編程光控取向?qū)崿F(xiàn)向列相液晶中取向孤子的動力學(xué)控制，包括了定制孤子產(chǎn)生的位置，出射的方向，區(qū)域的局域和的設(shè)計。實現(xiàn)精確控制的主要機理是錨定能大小和區(qū)域的調(diào)控，這使孤子在部分區(qū)域的生成和固定軌跡的運動具備更小的能量。這些結(jié)果的發(fā)現(xiàn)將使三維液晶孤子在微粒傳輸和光學(xué)信息處理等領(lǐng)域有更多應(yīng)用的可能。

南京大學(xué)21級直博生李超逸、芝加哥大學(xué)湯星舟博士為共同第一作者，南京大學(xué)的陸延青教授、南京郵電大學(xué)李炳祥教授和芝加哥大學(xué)Juan J. de Pablo教授為共同通訊作者，康奈爾大學(xué)Nicholas L. Abbott教授給予了重要指導(dǎo)，喻簫、Noe Atzin、宋振鵬、陳楚喬對本文亦有重要貢獻。該研究由國家重點研發(fā)計劃、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專項等資助完成。