中国科大实现液晶中涡旋线向拓扑孤子弦的动态可控转化
发布时间: 2026-05-21 12:28:38
中国科学技术大学物理学院彭晨晖教授、蒋景华研究员团队与香港科技大学张锐教授合作，在向列相液晶拓扑缺陷研究中取得关键进展，实现奇异涡旋线向非奇异类斯格明子孤子弦的可控动态拓扑转化、实时操控与复杂拓扑构型定制，相关成果以“Dynamic creation of topological solitons via nematic vortex lines”为题，5月19日在线发表于国际知名期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）。
拓扑保护孤子结构凭借独特的拓扑稳定性，成为高密度数据存储、自旋电子学等下一代前沿技术的核心研究对象；涡旋线作为向列相液晶中广泛存在的拓扑缺陷，是探索拓扑规律的理想实验平台。但如何实现奇异涡旋线与非奇异拓扑孤子这两类本质不同拓扑实体的可控跃迁，长期以来是凝聚态物理领域亟待攻克的核心挑战。
利用光控图案取向技术，研究团队设计了上表面为均匀取向，下表面为光控图案基底的液晶盒。在这一基础上，研究团队融合实验观测与朗道–德让纳数值模拟，揭示了向列相液晶中拓扑缺陷转化的核心机制：涡旋线可通过与拓扑荷为±1/2的楔涡旋、扭涡旋发生相互作用，精准转化为分数斯格明子弦，且孤子弦的拓扑结构可通过表面锚定图案实现灵活调控。团队进一步利用光镊对涡旋线进行原位操控，成功实现孤子弦的动态创建与可逆湮灭，直接证实了涡旋与孤子结构间的拓扑兼容性。
在此基础上，通过精密调控下表面的光控图案基底，团队完成多项原创性突破：借助具备莫比乌斯带拓扑的相邻涡旋环，制备出拓扑轮廓连续演化的斯格明子环；依托非平衡拓扑转化过程，构筑出“USTC”字母形等任意形状的涡旋线-孤子弦交织混合拓扑构型。实验与模拟结果一致表明，该拓扑转化过程可通过光控表面取向与光镊实现实时调控，所制备的各类拓扑结构均能稳定存在。
该成果在软物质体系中实现了奇异拓扑缺陷与非奇异拓扑孤子之间的动态可控转化，突破了传统体系难以同时构筑、调控两类拓扑结构的技术瓶颈。向列相液晶室温可编程、低能耗、光控易操作的特性，使其成为研发定制拓扑特性智能材料的理想载体，为拓扑器件设计、三维拓扑纹理精准操控开辟了全新技术路径。
图1.涡旋线与半反斯格明子弦的转化
中国科学技术大学博士研究生郑新达、中国科学技术大学博士研究生张婧和香港科技大学博士研究生唐文韬为本文共同第一作者，彭晨晖、蒋景华与张锐为文章的共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、中国科学院百人计划、香港研究资助局等项目的资助支持。此工作的进行也得到了中国科大微纳研究与制造中心以及工程与材料科学实验中心的支持。
论文链接：doi.org/10.1073/pnas.2528693123
（物理学院、科研部）
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