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导读

从蝴蝶效应到“空间中的混沌”

       如果一只蝴蝶的振翅能够引发远方的风暴，那么——当一束光在涡旋中心轻微偏移，它的空间传播又会是何种截然不同的轨迹？

       “蝴蝶效应”是混沌科学最经典的图景之一：微小的初始扰动，可能导致系统演化的巨大差异。20世纪60年代，气象学家爱德华·洛伦兹在研究大气模型时发现，输入参数的微小变化即可导致系统轨迹的巨大分化，并形成著名的“洛伦兹吸引子”。这一发现揭示了混沌系统的本质特征——对初始条件的极端敏感性，并推动混沌研究从气象学扩展到力学、电子学乃至光学等多个领域。在光学系统中，混沌现象同样广泛存在，例如非线性腔体中的不稳定激射、光纤中的混沌脉冲以及光学“怪波”等。这些现象大多表现为随时间演化的复杂行为，并在保密通信等领域展现出重要应用价值。

       除了时间维度，混沌同样可以在空间中呈现。当介质折射率存在空间随机扰动时，光线传播路径会发生不可预测的偏折，形成典型的“光分支流”现象。在这一过程中，大量光线自组织形成类似“树枝”状的高强度通道结构，展现出复杂而精细的空间模式。然而，由于系统本身的高度复杂性，这类空间混沌现象长期面临难以稳定复现、缺乏有效调控手段的核心挑战。如何在空间中构建一个既具混沌特性、又可实现精确调控的“混沌源”，成为该领域亟待解决的关键科学问题。

       针对这一挑战，陆延青教授、马玲玲特聘研究员团队联合电子科技大学蒙翠玲教授、南京邮电大学李炳祥教授开展合作，提出基于液晶拓扑涡旋结构的“可编程混沌中心（programmable chaotic center）”。通过构建具有特定拓扑结构的液晶涡旋，并使光束与涡旋中心直接相互作用，研究人员在空间域中实现了具有典型混沌响应特征的光学分支流，系统揭示了结构“场拓扑”对混沌光学散射的调控机制。该研究突破了传统混沌系统“难以稳定、难以调控”的关键瓶颈，将无序的混沌响应转化为受拓扑保护的对称光分支结构，展现了液晶软物质在复杂光场调控中的独特优势，并为发展柔性、可重构的片上光子器件提供了新路径。

       相关成果以《Programing Chaotic Centers for Shaping Light Branching in Topological Nematic Vortices》为题，发表于Science Advances，并被编辑选为亮点研究，在期刊主页重点推荐。南京大学博士生喻箫与电子科技大学徐荣幸老师为论文共同第一作者；马玲玲特聘研究员、蒙翠玲教授、李炳祥教授和陆延青教授为通讯作者。南京大学铁祚庥、王泽宇等在本研究中做出了重要贡献。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助，并依托固体微结构物理国家重点实验室等科研平台完成。

设计思路与研究方法：液晶拓扑涡旋构建“可编程混沌中心”

       研究团队提出利用液晶拓扑涡旋结构构建“可编程混沌中心”。其核心思路在于，将液晶的光学各向异性与拓扑涡旋的空间取向结构相结合，在微尺度上人为构造一个对光传播高度敏感的“混沌源”。在该结构中，液晶分子的指向矢场（即光轴）围绕涡旋中心呈周期性旋转，并在中心区域发生强烈压缩与快速扭曲（如图1A、B所示）。这种由拓扑约束产生的空间畸变，使光在传播过程中对初始入射条件的微小变化极为敏感，从而在空间域中触发典型的混沌散射响应。

       在实验实现上，研究团队采用高精度光控取向技术，实现了不同拓扑荷涡旋结构的稳定构建与任意定制；同时结合平面光耦合系统，实现了光束与涡旋中心的精确耦合与可控注入，并可对光传播轨迹进行实时观测。由此，实验上建立了一个可设计、可调控的空间混沌光学平台。在此基础上，研究系统揭示了结构拓扑对光分支流行为及其混沌动力学特性的调控规律，获得了如下关键研究进展：

图1：拓扑涡旋中心的混沌特性及光-涡旋中心相互作用

图源：Science Advances

亮点一：旋转对称性调控光轨迹，诱导光学焦散形成

       液晶拓扑涡旋的结构由两个关键参数决定：拓扑荷S和角度常数C。其中，角度常数C控制着分子排列的旋转对称性，从而直接影响光在其中的传播路径（如图2所示）。研究发现，当一束高斯光穿过涡旋中心时，受中心区域强烈光轴扭曲的影响，光束会发生明显散射并分裂。随着旋转对称性的改变，光的传播行为呈现出连续演化过程：从最初的对称分离，到逐渐相互靠拢，最终在涡旋中心附近交汇，形成清晰的光学焦散（caustics）结构。这种焦散本质上是光线轨迹在空间中的“奇点汇聚”，标志着光分支流结构开始形成的临界状态。

       进一步地，研究团队借助三维荧光共聚焦成像技术，解析了涡旋中心缺陷线的三维分裂形貌，并结合液晶朗道–德热纳理论（Landau–de Gennes theory）进行了定量验证。结果表明，涡旋中心的三维缺陷结构对光散射的传播方向起到关键的调制作用。

图2：拓扑涡旋的旋转对称性及其对光焦散产生的调控

图源：Science Advances

亮点二：高拓扑荷激发对称光分支流，实现“从1到N”的光分裂

       拓扑荷S描述了液晶分子围绕涡旋中心的旋转强度，是决定光场混沌散射能力的核心参数之一。例如，当S = 8时，分子在一周内的累计旋转角度可达2880°，对应极强的空间取向畸变。随着拓扑荷的增大，涡旋中心区域的光轴扰动显著增强，入射光束在穿越中心后发生剧烈散射，并逐步演化为多个稳定的传播分支，实现从：1→3, 到1→7的结构化输出（如图3所示）。值得注意的是，分支数量由拓扑荷直接决定，且分支方向受涡旋周期性指向矢的引导，从而在空间中形成以涡旋为中心的高度对称分布。结合实验观测和理论模拟，研究团队系统解析了“场拓扑”在混沌分支传输中的作用机制，表明了光分支流不再源于随机无序，而是由拓扑结构精确“编程”的结果。

图3：高拓扑荷下的对称分支传输效应

图源：Science Advances

亮点三：外场驱动缺陷三维演化，实现光路动态重构

       液晶材料对外加电场具有高度敏感的响应特性，使其成为实现动态光场调控的理想平台。在本研究中，研究团队引入外电场，对涡旋中心的三维缺陷结构进行主动调控。实验表明，涡旋中心的拓扑分裂形貌不仅受自身拓扑参数控制，还会在外电场作用下发生显著的三维形变与重排。借助集成平面耦合平台与明场显微成像系统，研究人员实现了光束传播轨迹与缺陷结构演化的同步观测（如图4所示）。进一步研究发现：光束的传播路径会随缺陷结构的变化动态调整，并且系统在数秒时间尺度内逐渐弛豫至新的稳态。这一结果揭示了拓扑缺陷在光场调控中的“中介作用”，为实现可重构光路与动态光子器件提供了新的物理机制。

图4：电场操控缺陷线三维形变及可重构分支传输效应

图源：Science Advances

亮点四：从分支传输到混沌响应——揭示“蝴蝶效应”的空间光学映射

       在上述结构调控基础上，研究进一步追问一个更深层的问题：这些分支结构的本质，是否源于混沌动力学？

      为此，研究团队基于几何光学模型，将实验中具有有限宽度的光束微分成大量独立光线，对其传播轨迹进行系统分析。结果发现，在保持入射方向不变的情况下，仅对入射位置进行微小扰动，光线的传播路径便发生显著改变，呈现出对初始条件的极端敏感性——这正是“蝴蝶效应”的典型体现。进一步地，通过对光线衍射角度进行统计分析，研究人员发现其在横向坐标空间中的分布呈现出清晰的“蝴蝶形”结构，与经典洛伦兹系统中的吸引子具有相似特征（如图5所示）。这一结果表明：光分支结构并非简单的散射叠加，而是大量混沌光线轨迹在空间中的自组织投影。换言之：时间域中抽象的混沌吸引子，在这里被转化为可直接观测的空间光学图像。这一发现建立了拓扑结构、混沌动力学与光学传播之间的深层联系，充分揭示了分支传输效应的混沌本质。

图5：光分支传输的混沌响应特性

图源：Science Advances

总结与展望

       该研究在实验中构建了可编程混沌中心，并揭示了光束在拓扑涡旋中的传播如何由无序的混沌散射，自组织演化为具有对称性的分支结构。通过将“混沌”这一传统上难以操控的非线性过程，与“拓扑”这一具有稳定约束的结构特征相结合，研究团队实现了对光传播路径的可设计、可调控与可重构。在物理层面，该工作建立了拓扑结构、混沌动力学与光学传播之间的内在联系，将经典“蝴蝶效应”从时间域拓展至空间域，为理解复杂系统中“微扰放大”与“结构涌现”的统一机制提供了新的实验范式。在应用层面，该体系展现出液晶平面光子器件在复杂物理场模拟与动态光场调控中的独特优势，有望推动可重构、低能耗片上光子器件的发展，并为光信息处理与类复杂系统计算提供新思路。

       总体而言，这项工作不仅拓展了液晶软物质在复杂光场模拟中的应用边界，也揭示了一幅更为深刻的物理图景：在看似无序的混沌之中，隐藏着由拓扑所塑造的秩序之美。

论文信息

Xiao Yu et al. , Programming chaotic centers for shaping light branching in topological nematic vortices. Sci. Adv. 12, eaec5012(2026).

https://doi.org/10.1126/sciadv.aec5012

 

文章源于中国光学公众号