胡伟教授、陆延青教授团队：液晶相变过程中拓扑缺陷诱导的序演变

jiujia

近日，南京大学现代工学院胡伟教授、陆延青教授团队在相变过程中拓扑缺陷诱导的液晶序演变方面取得重要进展，相关成果以“Topological defect guided order evolution across the nematic-smectic phase transition”为题发表于《物理评论快报》。Phys. Rev. Lett. 2023, 130(7), 078101.
       拓扑是几何图形或空间在连续变形过程中保持恒定不变的一种属性，在凝聚态物理前沿如量子霍尔效应、拓扑绝缘体、拓扑超导体等领域起着关键作用。通常物理系统的对称性由其拓扑性质严格定义，在拓扑不变性的保护下稳定存在。有序物理系统在相变过程中常发生对称性破缺，并伴随着拓扑缺陷（topological defects）的变化。拓扑缺陷在有序系统相变（Kosterlitz-Thouless相变、2D熔化和实验室宇宙学等）序演化过程中所扮演的角色一直是个重要课题。
       液晶（liquid crystals）具有丰富的相态和拓扑缺陷，且便于直接光学显微观测，是一类理想的模型系统。向列相（N, nematic phase）和近晶相（S, smectic phase）作为两种典型的液晶相态得到了广泛的研究。向列相液晶呈现取向序，在平衡状态下由于取向的不连续，会导致点缺陷、向错线以及墙结构的产生。近晶相液晶分子组装形成彼此平行的层状排列，兼具取向序和一维位置序，所产生的拓扑缺陷主要以位错的形式存在。虽然许多研究关注到了N-S相变这一过程，但拓扑缺陷在相变过程中对液晶序演变的作用以及缺陷的跨相态转变机制仍尚未明晰。
        团队通过表面锚定预设缺陷类型及其空间分布，操控热力学过程研究了相变伴随的缺陷转变以及序演变所产生的亚稳态织构，结合体系自由能分析和拓扑保护理论对其进行了解释。研究利用光配向技术预设径向取向分布的奇点阵列（图1a），诱导液晶分子组装并辅以热处理方式变化来操控拓扑缺陷的生成。当从各向同性态缓慢降温到向列相时，产生只有点缺陷阵列的织构（图1b）。利用Landau-de Gennes理论模拟，发现所形成的+1点缺陷可分为两类：中心汇聚型和中心发散型（图1c）。进一步降温到近晶相，由于取向序的继承性，中心汇聚型点缺陷转化为环面焦锥畴结构（toric focal conic domains, TFCDs），其畴直径为，而中心发散型点缺陷转变为具有正高斯曲率的畴，交替嵌入TFCD阵列（图1d和图1e）。

图1. （a）+1（红点）和1（蓝点）奇点分布及周围取向示意图；（b）34.0 °C下向列相织构的偏光显微镜照片；（c）点缺陷织构对应截面的指向矢分布理论模拟；（d）33.2 °C下近晶相织构的偏光显微镜照片；（e）N-S相变过程中的液晶指向矢演化及TFCD结构示意图。

        快速退火时，±1点缺陷分裂成一对±1/2点缺陷，并沿特定方向相互连接形成向错线阵列（图2a）。模拟也充分验证了向错线两侧液晶指向矢的不连续性。在N-S相变过程中，这种液晶排列的不连续将转化为位错，进而形成受挫的TFCD阵列（图2b，2c）。因位错携带较高能量不利于体系自由能的最小化，因此系统倾向于消除位错。在N-S相变点附近，液晶既保持近晶相的分层结构，又具有一定的自由性，在体系能量最小化驱动下，位错被推向每个单元的边缘进而实现位错的消除（图2d），形成一种全新的TFCD阵列，其畴直径为l（图2e）。再次将样品加热到N-S相变点以上，上述阵列转化为具有交叉墙缺陷的新型织构（图2f）。该织构在不依赖于外场作用（如电场、磁场）的情况下尚未被报道可以稳定存在，因为其能量状态高于向错线织构。此处主要得益于相变过程中液晶取向序的继承性，在加热过程中TFCD的指向矢分布被延续到向列相，从而形成了交叉墙结构。由于受到拓扑保护，交叉墙织构一旦形成，便能稳定存在于整个向列相状态。除非重新加热到各向同性态，再次快速冷却时，依然会回到能量更低的向错线织构。

图2. （a）向错线织构的偏光显微镜照片、液晶指向矢空间分布示意以及对应截面的指向矢场理论模拟；（b）-（e）热循环过程中的织构变化；（f）墙结构的偏光显微镜照片、液晶指向矢空间分布示意以及对应截面的指向矢场理论模拟。

        为了清晰的展示上述缺陷转变过程，团队结合实验结果与理论计算给出了整个相变过程的自由能F-温度T关系图（图3a）。三种向列相织构的能量关系依次为：I（点缺陷）<II（向错线）<III（墙结构）；而对于三种近晶相织构：I’（-TFCD）<II’（l-TFCD）<III’（受挫TFCD）。对上述织构的拓扑特征分析表明：在整个相变过程中，虽然重复单元的总拓扑荷守恒，但具体拓扑种类和分布具有显著差异，而拓扑不变性限制了三种不同向列相织构间的直接转化（图3b）。研究还进一步发现，在N-S相变过程中，不同拓扑缺陷沿着特定的路径演化：中心汇聚型+1点缺陷变成TFCD，中心发散型+1点缺陷变为具有正高斯曲率的畴，并交替嵌入TFCD阵列；±1/2向错线转变为位错，经历热循环后移动至畴边缘处消失，升温对应到向列相的交叉墙缺陷织构。

图3. （a）相变过程中体系能量F与温度T的关系图；（b）三种不同向列织构的拓扑特征分析。

        本文利用光配向预编程液晶拓扑缺陷，结合热力学过程控制探究了液晶拓扑缺陷诱导下的序演变过程，结合体系自由能变驱动的阻错演化、拓扑保护带来的取向序继承与结构稳定性，揭示了跨相变点的缺陷转化机制，并展示了新颖的亚稳态织构。该工作加深对有序系统自组装行为的理解，有望激发与拓扑缺陷相关的新的物理现象与应用的探索。审稿人对该工作给予了一致好评—“I really appreciate the novelty and the originality of the paper, i.e. how topology and frustration can bring to new metastable texture in liquid crystal.”（我很赞赏该论文的新颖与独创之处，即拓扑结构与阻错演化如何为液晶带来全新的亚稳态织构）；“I find it particularly interesting that there are many possible intermediate states during the transformation of these defects”（特别有趣的点在于，这些缺陷在转变过程中存在着很多可能的中间态）。
        南京大学现代工学院22届博士毕业生吴赛博和21级博士生吴金兵为论文共同一作，胡伟教授和陆延青教授为论文通讯作者，曹慧敏对本文亦有重要贡献。苗栋教授、张伟华教授对本研究给予了关键指导。该研究受国家重点研发计划、自然科学基金、江苏省前沿引领技术基础研究专项和中央高校基本科研业务费资助完成。
        文章来源：南京大学
       胡伟，2004年本科毕业于东北林业大学，2009年于吉林大学获得理学博士学位。现为南京大学副教授、硕士生导师，国际信息显示学会和中国物理学会会员。主要从事特种液晶材料及液晶组装超结构、液晶光取向技术及其光场调控的应用、光通讯及THz液晶器件等方面的研究。已在Adv. Mater., Light Sci. Appl., Adv. Opt. Mater., Appl. Phys. Lett., Opt. Lett., Opt. Express等刊物上发表论文62篇，论文被引用近700次，H index 16（Google Scholar）。
       陆延青，南京大学副校长，长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、“万人计划”科技创新领军人才、教育部创新团队带头人。1991年南京大学物理系本科毕业，1996年获南京大学物理系博士学位，后留校任教。 自2000年起，陆延青赴美并将工作转向应用工程技术领域。先后担任美国Chorum Technologies 的Optical Engineer & Leader of Optical Design and Development Group，CREOL, Univ. of Central Florida的Visiting Research Scientist，Defiant Photonics 的Principal Engineer, eGTran（EZconn）中国分公司（光圣科技宁波有限公司）CTO 等职，积累了不少光电子产品研制、生产的实际经验。2006年底陆延青获聘返回南京大学任职。陆延青教授是IEEE光子学会高级会员、中国激光杂志社COL执行主编、中国物理学会液晶专业委员会主任、《液晶与显示》副主编（拟任）、中国光学学会会士、美国光学学会会士、科协“世界一流科技期刊建设专家委员会”委员、九三学社中央委员、全国青联委员、江苏省政协委员，曾获江苏十大青年科技之星、第五届江苏青年五四奖章和第十一届中国青年五四奖章。在科研方面，陆延青教授主持了国家重点研发计划项目和863、973、自然科学基金等多项国家级研究课题，主要围绕介电体超晶格、液晶材料、光纤光学等方向开展工作，在离子型声子晶体、液晶材料及其光电应用等方向的具有国际影响。在Science, PRL, Adv. Mater., APL, OL/OE等刊物上发表论文两百余篇，被引五千余次，申请专利100余项，其中授权专利70余项，转让5项。1999年领衔获得《中国高等学校十大科技进展》、《中国基础研究十大新闻》等荣誉。本人也是2006年度国家自然科学奖一等奖项目《介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用》获奖人之一。