近日，Photonics Research刊登了南京大學(xué)陸延青教授團(tuán)隊(duì)、南京郵電大學(xué)李炳祥教授團(tuán)隊(duì)和芝加哥大學(xué)Juan J. de Pablo教授團(tuán)隊(duì)在三維液晶孤子操控研究中的新進(jìn)展，相關(guān)工作“Grating mediated by three-dimensional director solitons”(Photonics Research 2025, 13, 2240-2245.) 通過(guò)表面光控取向?qū)觼?lái)調(diào)控對(duì)液晶的錨定能，并在電場(chǎng)控制下進(jìn)一步操控了孤子的成核，實(shí)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(chǎng)調(diào)控方面的應(yīng)用。這種基于光控取向技術(shù)的液晶孤子光柵，在空間結(jié)構(gòu)操控方面具有高度靈活性，且能夠在電場(chǎng)控制下于光柵和波片之間實(shí)現(xiàn)切換，為孤子在光信息復(fù)用器件的應(yīng)用開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了一條有前景的道路。

該工作利用晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的光源器件，操控取向?qū)拥腻^定能，展示了一個(gè)具有分光能力的液晶孤子光柵。

自1834年英國(guó)科學(xué)家Russell首次觀察到水波孤子現(xiàn)象以來(lái)，這種能夠保持形狀和速度不變的特殊波動(dòng)形式已成為物理學(xué)、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)及天文學(xué)等多學(xué)科交叉研究的熱點(diǎn)。液晶，憑借其獨(dú)特的軟物質(zhì)特性與可控的各向異性響應(yīng)，成為研究孤子產(chǎn)生機(jī)制、動(dòng)力學(xué)行為及其調(diào)控規(guī)律的理想平臺(tái)。

液晶孤子的研究最早可追溯至20世紀(jì)60年代。當(dāng)時(shí)，研究人員開(kāi)始關(guān)注到向列相液晶中由空間受限效應(yīng)引發(fā)的指向矢（即光軸）局部擾動(dòng)現(xiàn)象。然而，當(dāng)研究擴(kuò)展到高維體系時(shí)，由于自由能會(huì)隨孤子尺寸的減小而降低，導(dǎo)致孤子結(jié)構(gòu)極易發(fā)生塌縮。自此，高維動(dòng)態(tài)孤子的穩(wěn)定性成為困擾學(xué)界的重大問(wèn)題。近年來(lái)，研究人員在負(fù)性向列相液晶中成功觀測(cè)到一種具有優(yōu)異穩(wěn)定性的三維動(dòng)態(tài)孤立波。這種特殊的波動(dòng)形式表現(xiàn)為液晶分子的碗狀空間構(gòu)型畸變，在傳播過(guò)程中具有穩(wěn)定的波形結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)上證實(shí)了高維非拓?fù)涔伦涌梢苑€(wěn)定存在。基于這一突破，研究團(tuán)隊(duì)隨后取得了一系列重要進(jìn)展：實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維動(dòng)態(tài)孤子運(yùn)動(dòng)方向的精確調(diào)控（Nat. Commun., 2019, 10, 3749）、開(kāi)發(fā)了基于孤子效應(yīng)的微米級(jí)顆粒定向輸運(yùn)新技術(shù)（Phys. Rev. Res., 2020, 2, 013178）、構(gòu)筑了孤子“機(jī)關(guān)槍”（PNAS,2024, 121, e2405168121）、探索了孤子在界面處的動(dòng)力學(xué)行為（PNAS, 2025, 122, e2501488122）。這些成果為微納尺度下的物質(zhì)操控提供了全新思路。

目前基于對(duì)三維液晶孤子的基礎(chǔ)研究，科學(xué)家們探索了孤子在微米級(jí)顆粒定向輸運(yùn)技術(shù)里的應(yīng)用，除此之外，孤子是否還能應(yīng)用于其他領(lǐng)域呢？針對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)自研的光控取向技術(shù)來(lái)操控取向?qū)拥腻^定能，在均一背景中調(diào)控了孤子的成核時(shí)機(jī)和位置，并展示了相關(guān)光柵結(jié)構(gòu)的分光能力。

作為可流動(dòng)的“晶體”，液晶具有長(zhǎng)程取向序。微米尺度內(nèi)液晶分子的平均取向代表了相應(yīng)局部區(qū)域的光軸，也被稱作液晶指向矢。當(dāng)液晶被限制在玻璃基板內(nèi)時(shí)，其指向矢方向會(huì)隨著取向?qū)拥娜∠蚋淖儯▓D1 a）。研究團(tuán)隊(duì)利用光控取向技術(shù)，引入雙光源取向體系（365 nm 和405 nm），在均一的取向?qū)颖砻姹尘跋戮_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(zhǎng)決定：經(jīng)波長(zhǎng)為365nm的光源照射過(guò)的取向?qū)樱鋵?duì)液晶的錨定能更低，孤子成核時(shí)所需的外加電場(chǎng)幅值更低。因而，在無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，均一的液晶層便可作為波片使用（圖1 c）；當(dāng)電場(chǎng)激發(fā)孤子產(chǎn)生時(shí)，孤子和均一液晶交替排列，構(gòu)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(shù)，研究團(tuán)隊(duì)采用兩種光源制備了均一取向的液晶層（圖2 a）。當(dāng)逐步增加外加電場(chǎng)幅值時(shí)，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(gòu)成了二值光柵（圖2 d和e）。當(dāng)電壓進(jìn)一步增大后，高錨定能區(qū)域也會(huì)被孤子占據(jù)，進(jìn)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(yīng)這一基本規(guī)律出發(fā)，結(jié)合表面光控取向?qū)觼?lái)調(diào)控對(duì)液晶的錨定能，該研究揭示了負(fù)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(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了從理論預(yù)言到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的重要突破。液晶孤子光柵的構(gòu)筑不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)孤子研究的認(rèn)知框架，更揭示了液晶系統(tǒng)中獨(dú)特的孤子操控規(guī)律。在微納技術(shù)領(lǐng)域，孤子的精準(zhǔn)操控能力為開(kāi)發(fā)新一代微納機(jī)器人、智能傳感系統(tǒng)和可編程微流控器件提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐；在信息科技方面，基于孤子的光柵器件可望實(shí)現(xiàn)新型光信息處理和可重構(gòu)波動(dòng)計(jì)算平臺(tái)。這些突破性進(jìn)展展現(xiàn)了從基礎(chǔ)科學(xué)到工程應(yīng)用的重大價(jià)值，為未來(lái)智能材料和信息技術(shù)的革新奠定了重要科學(xué)基礎(chǔ)。

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院2021級(jí)直博生李超逸、南京郵電大學(xué)教授湯星舟為本文第一作者。南京大學(xué)陸延青教授、劉袁博士，南京郵電大學(xué)李炳祥教授為本文共同通訊作者。南京大學(xué)王澤宇，芝加哥大學(xué)Juan J. de Pablo教授、孫戈，南京郵電大學(xué)黃志軍亦對(duì)本文有重要貢獻(xiàn)。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金與江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專項(xiàng)等項(xiàng)目資助。

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