Nat. Commun. | 液晶中发现新奇中间相，开启非线性矢量光学新篇章
导读
近日，马玲玲/陆延青教授团队联合华南理工大学Satoshi Aya教授，在软物质铁电畴工程与非线性光学领域取得突破性进展。
研究团队发现了一种独特的液晶中间相，该相态中同时存在周期性调制的单极性与双极性序，实现了大尺度、无缺陷且可自由设计的极性图案。基于此发现，团队提出非线性矢量光场编码原理，并成功研制出微型化的非线性光学器件，可直接生成并动态调控非线性光学完美矢量光束。
该研究成果为三维拓扑极性畴工程提供了全新平台，并极大地推动了非线性矢量光场在微型化光学系统中的集成与应用。
该研究成果以“Periodically-modulated unipolar and bipolar orders in nematic fluids towards miniaturized nonlinear vectorial optics”为题发表于Nature Communications。现代工程与应用科学学院硕士生张广阳为论文第一作者，马玲玲特聘研究员、王瑜副教授、陆延青教授及华南理工大学Satoshi Aya教授为共同通讯作者。王泽宇、潘锦涛、魏阳、叶永、王宁与华南理工大学林恩俊、杨吉丹、邓明慧等对该工作亦有重要贡献。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助，以及固体微结构物理全国重点实验室等平台的支持。
极性物质在空间中的排列方式，如通量闭合、涡旋、半子等拓扑结构，从根本上决定了材料的电磁与光学性质。在铁电材料中定制多样的拓扑结构，是探索新奇物理现象和功能应用的关键。然而，由于复杂的能量竞争，如何在特定相态中实现极性拓扑结构的多样化及其精确的空间分布操控，一直是该领域面临的重大挑战。
液晶，作为一种典型的软物质，其自组装特性使其成为构筑复杂三维拓扑结构的理想平台。近年来新发现的铁电向列相液晶，结合了极性与液晶的弹性，为产生传统铁电晶体中未曾见过的奇异拓扑结构提供了可能。但其中复杂的相互作用也使得制备无缺陷拓扑极性结构并实现精准操控变得异常困难。
新物态
面对上述挑战，研究团队设计并合成了一种新型液晶材料（NJU001），并在相变过程中，发现了一个关键的中间相——Nx相。深入研究表明，Nx相是一种独特的“两面”中间相。在降温过程中，它会通过两种不同的动力学路径，自组装形成两种周期性交替的拓扑结构：一种是相邻条纹极化方向相同的“单极性序”，另一种是相邻条纹极化方向相反的“双极性序”。其非极性序参量与极性序参量可被分别、独立地调制。
图1：中间相Nx中的单极与双极序构
新结构
研究团队通过理论模拟阐明，“挠曲电效应”与“极性朗道能”之间的微妙竞争，主导了这种奇特单极性拓扑结构的形成，成功解释了无缺陷极性序构的形成机理，为实验观察提供了可靠的理论依据。得益于该中间相的特性，团队提出“流体铁电畴工程”，利用先进的光控取向技术，成功实现了大面积的、无缺陷、精确可控的复杂极性图案制备。无论是预设的准晶格、南大校徽，还是世界名画《戴珍珠耳环的少女》，都能被高保真地“印制”在液晶序构中，并可通过非线性光学成像清晰显现。
图2：流体铁电畴工程
新器件
微型化可调谐非线性矢量光子器件。作为原理验证，研究团队提出“非线性马吕斯定律”，设计并制备了系列多层级序构、微型化构筑的超结构液晶器件。该器件能够在线性泵浦光的激发下，直接产生高质量的“非线性完美矢量光束”。这种光束在横截面上具有特定设计的偏振分布，且其环形光斑周长不随偏振阶数的增大而增大，是光通信、量子信息、超分辨成像等领域的重要光源。更令人惊喜的是，利用液晶对外场响应灵敏的特性，研究人员仅通过施加很小的三角波电场，就实现了对该矢量光束的周期性“开关”调控。这展现了该技术在未来动态可重构集成光子芯片中的应用潜力。
图3：微型化可调谐非线性矢量光学器件
总结与展望
本研究不仅发现了一种兼具单极和双极性序的新奇液晶中间相，揭示了其形成机理，更开拓性地展示了其在拓扑极性结构工程和非线性光学领域的巨大应用前景。它将基础凝聚态物理中的拓扑概念与前沿的软物质光子学紧密相连，为开发新一代微型化、可重构的非线性光学器件与非线性矢量光子技术打开了新的大门。
论文信息
Zhang, GY., Ma, LL., Lin, E. et al. Periodically-modulated unipolar and bipolar orders in nematic fluids towards miniaturized nonlinear vectorial optics. Nat Commun 16, 9419 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-64463-2
文章源于中国光学公众号