近日，厦门大学电磁声学研究院陈锦辉副教授课题组以及合作单位在液晶系统中光分支流产生与调控方面取得了重要的研究进展，相关工作发表在Nature Communications和Laser & Photonics Reviews (内封面论文)上，并获得了著名物理门户网站phys.org的亮点报道。
【研究背景】
当波在具有相关弱无序势的介质中传播时，它们会分裂成随机聚焦的分支传输通道，导致波强度的强烈波动——这是一种被称为分支流的基本现象。这些分支传输通道源于波传播中的随机焦散，是在弹道极限和扩散极限之间的波动力学领域中普遍存在的效应。自从观察到二维电子气中的分支流以来，这一现象已扩展到各种物理体系中，如声波，弹性波和海浪波。直到2020年，Mordechai Segev与Miguel A. Bandres团队在非稳态的肥皂膜中实现了光分支流。然而，由于分支流现象的复杂性及其对产生系统有序度的强关联性，分支流现象的可控产生及其定向演化过程仍有待进一步研究。
液晶作为软物质的典型代表，兼具液体的流动性和晶体的光学各向异性；此外，液晶对外场的灵敏响应，使其成为研究可调谐光-物质相互作用的重要材料。在外场刺激如电场、磁场、热场和光场的作用下，液晶会展现出丰富的相态和取向特征，以及多样的拓扑结构，从而为研究光场调控提供了许多可能。
【创新研究】
液晶具有丰富的相态和拓扑缺陷，这些缺陷有助于形成面内液晶分子取向无序的结构化图案（称为纹影织构）。这种无序取向导致了液晶膜的介电各向异性非均匀分布，其充当光传播的弱无序势。这种无序势的相关长度大于传播光的波长，满足形成分支流的条件。液晶的电光效应允许对无序势进一步调谐，在外加电场的情况下，液晶分子沿着电场排列改变了无序势场，并最终演化为有序排列。值得注意的是，由于拓扑缺陷在电场下的稳定性，这种调谐过程是可逆和可重复的。也就是说，电压调控可以实现打开和关闭分支流，并且可以通过外加电压定量地调节分支特性（图1）。此外，由于液晶的光学各向异性，光子的无序势也可以通过入射光的偏振来操纵，为分支光流的定量调谐提供了另一种方式。
在垂直边界条件的负性液晶（）系统中，外加电场作用下，分子会发生转变；特别地，当电场强度超过某个临界值（Fredericks阈值）时，指向矢发生剧烈变化，试图与电场方向垂直。然而，由于边界条件的作用，这种重新排列并不总是均匀的，从而形成了拓扑缺陷。液晶拓扑缺陷在物理形貌和运动特征上与宇宙弦相似，在系统能量的驱动下不断相互湮灭，从而引导光学势场的有序度从无序向有序演变（图2）。随着缺陷系统的演化，密集的光分支流逐渐往定向的光束偏转转变。
图1 液晶中光分支流的电调控
图2 演化拓扑缺陷结构中的光分支流和光转向现象。
【总结】
研究人员在液晶系统中建立了随机各向异性介质的等效势模型，成功实现了面内光分支流的产生，并利用液晶的电光特性，首次在实验上实现分支流的调控，此外，在负性液晶系统中缺陷湮灭动力学的诱导下，实现了光分支流向光传输的动态转变。以上的研究工作揭示了液晶等取向序软物质作为研究无序势场中光-物质相互作用及传输行为的理想平台，为基于衍射的光计算等光学器件提供了新途径。
【文章链接】
https://www.nature.com/articles/s41467-023-44500-8
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202400366
