拓扑孤子在液晶中的动力学
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拓扑孤子在液晶中的动力学
发布时间:2020-07-08        浏览次数:186

孤子(Soliton)是一种具有粒子特征的脉冲波,也可称之为孤波(Solitary wave)。孤波最早发现于1834年,英国的造船工程师、Russel在一次行船中观察到船头前方有一个稳定的水包沿着河道前行了很远后才逐渐消失,这种不同寻常的水波被他命名为孤立波。孤子不仅在水中产生,也可发生于各种物理系统中,例如大型自然结构(如台风和星系),激光脉冲,磁场系统(斯格明子),超流体等。液晶是一种重要的光电学材料,同时也是各种量子及软物质体系的模型体系,受到广泛研究。特别是,液晶是非线性·非平衡现象的宝库。近两年,人们在液晶中发现了一种新型的动态孤子,区别于以往的静态孤子,这些可运动的孤子表现出许多有趣的新现象,对于这些独特的动态行为的解释暂时还充满争议,对其机理的研究有助于人们理解这些孤子的微观机制,并为其实际应用提供理论依据。

1水槽中的孤波和液晶中孤波的传播模型

 

  近日,华南理工大学软物质研究院Satoshi Aya研究员与日本理化学研究所(RIKEN)Fumito Araoka教授在国际知名期刊《Nature Communications》上发表了有关向列相液晶中拓扑孤子的动力学行为研究。该研究通过电场激发向列液晶产生非平衡孤子,发现可通过电场的振幅和频率调整会改变孤子的运动行为。作者认为实现可控的孤子运动的关键是由电流体动力学效应(Carr-Helfrich instability)决定的,其中液晶流体弹性和电气对流效应起到了重要作用。该研究对探索液晶的非线性效应和局部非平衡流体动力学具有重要的意义。

  作者将不同介电各向异性和导电各向异性的向列相液晶混合物(E7和CCN47)同少量离子掺杂(TBABE),注入取向处理的液晶盒中以待观察。研究发现,孤子在含有15–18 wt%E7的混合液晶样品中,于2–60Hz的频率范围内生成(图3)。当填充比X > 0.6时,孤子自组装成类似粒子在二维平面内六方堆积的结构,该情况下孤子表现出融抗性,证实了孤子的粒子性特征。此外,作者通过高速摄像机研究了单个孤子的动态结构,发现孤子的指向矢场在两个无缺陷的结构(即双凸和双凹结构)之间与所施加电场同步振荡,在时间平均上,其两种结构的波峰互相重叠,表现出我们在偏光显微镜下观察到的时间平均后的孤子形状。


 

2(a)氰基联苯(CB)和4'-丁基-4-庚基-双环己基-4-氰(CCN47)的几何形状和化学结构;(b)偏光显微镜观察液晶中产生的孤子;(c)高速摄像机下液晶孤子结构。


  为了摸索孤子产生的条件,作者通过调整液晶混合物介电常数和电导率各向异性,在=(-+)条件下生成了从挠曲电状态或电动流体动力学状态到动态孤子的平滑路径,并将其分为五种基本模式:(Ⅰ)平面模式(Ⅱ)||模式(Ⅲ)矩形(R)模式(Ⅳ)孤子模式(Ⅴ)⊥模式。通过偏光显微和粒子示踪的方法对各个模式下的指向矢场和流动场制图发现,孤子出现在||模式和矩形模式到⊥模式之间的频率范围内,并跨越了一种导电方式,其中离子对流主导着指向矢的介电振荡,说明孤子的产生是由液晶弹性和电流体对流耦合引发的。

3五种不同模式织构以及其电压-频率状态图


  随后,作者通过调整电场的振幅和频率来研究孤子的运动行为,例如改变孤子的运动方向,孤子的分裂以及碰撞、反射等伪粒子动力学特性。研究发现,随着电压增大,液晶分子的指向矢由于不对称的弹性变形影响了孤子的运动方向。进一步增大电压至10V左右,孤子运动变得混乱,导致孤子发生分裂。在升压过程中,孤子的运动速度几乎不受影响,但对电场频率有明显的依存性,由于不同的导电机制的相互竞争作用,在20Hz的临界点处孤子的速度达到最大。进一步地,作者发现孤子之间的相互碰撞以及在空气——液晶界面处的反射都表现出伪粒子的特征,根据孤子核心之间的偏移程度的不同所引发的碰撞也会发生不同的动态行为。

图4孤子在液晶中随时间演化的轨迹分析图


  总而言之,本研究证明了向列型液晶中非平衡孤子的产生机制及其动力学控制,建立了在更一般的实验环境中操纵孤子动力学的基本物理学方法,并允许观察它们随时间演化的过程,从而有助于进一步开展软物质系统中动态孤子激发的实验和理论研究。


Aya, S., Araoka, F. Kinetics of motile solitons in nematic liquid crystals. Nat Commun 11, 3248 (2020)

文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-020-16864-8

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