拓扑缺陷在自然界中以各种尺度出现，其存在的必要条件是存在相关物理场的自发性对称破缺。极性拓扑和自旋拓扑在信息存储、量子通讯以及光学成像等多个领域得到广泛的应用。其中，铁磁性材料中磁畴壁、磁涡旋、磁半子、磁斯格明子等极性拓扑结构近年来被陆续观测，并逐渐成为物理和器件领域中的研究热点之一。然而，目前人们对极性拓扑或者类自旋拓扑的研究大多局限在磁体系统或者固体铁电系统中。最近，新型铁电向列相液晶的发现为软物质极性拓扑的探索提供了契机。铁电向列相液晶是一种具备液态流动性的软物质，在进入铁电向列相后，分子自发极化产生微观的极化畴以及宏观电极化，呈现出高介电、强铁电、非线性光学响应、低电场响应以及超强外场屏蔽等变革性物理性质，逐渐引起软物质领域的广泛关注。然而，大多铁电向列相液晶材料经历从液相（Iso）到非极性向列相（N）再到铁电向列相（NF）的相转变过程，对铁电向列相液晶极性拓扑以及自旋拓扑结构的研究产生了一定的限制。另外此类铁电向列相液晶通常不能稳定的存在于室温环境，这也限制了该类液晶材料的实际应用。

        近日，华南理工大学前沿软物质学院（华南软物质科学与技术高等研究院）黄明俊和Satoshi Aya（谢晓晨）研究团队合成了一种可以在室温下稳定存在的高流动性铁电向列相液晶分子RM-OC2（图1），它可以在冷却过程中直接从各向同性相（Iso）进入铁电向列相（NF），而不经过传统非极性向列相（N）。作者利用此铁电向列相液晶材料，首次在软物质体系中观测到孤立的电极性拓扑结构—手性极化半子（D-meron），阐明了电极化在拓扑形成中的作用。该研究以题为“Spontaneous electric-polarization topology in confined ferroelectric nematics”的论文发表在《Nature Communications》上。 

图 1. RM-OC2 的化学结构及构象

图 2. 铁电向列相液晶液滴中可观察到的两种手性的共存

        从偏光显微镜的织构图（图2b），可以观测到液滴中心区域在十字偏振组合下十字不完全消光，猜测织构图中的不消光可能来自液滴内部的指向矢扭曲。为了验证上述假设，在旋转偏振片和四分之一波片的条件下对液滴进行了观察（图2a-c）。在检偏器被转动52°时，液滴具有螺旋织构并呈现出两种旋性，结合干涉色变化可以判断铁电向列相液滴具有左右旋性的同心圆取向结构（图2e,g）。利用荧光共聚焦显微图像在xy层面的光学切片图像以及在yz方向的堆叠信息（图2h-k），作者重构了液滴的三维取向拓扑（图2l,m），验证了在本征非手性的铁电材料中（图2h,j）确实存在两种不同手性的极性拓扑结构。另外，通过掺杂少量的手性分子，作者发现液滴的两种手性拓扑结构出现了偏置，诱导了单一手性极性拓扑液晶的产生。 

图 3 二次谐波显微成像发现一共有四种极化拓扑的共存

        作者进一步使用表征静态极化的二次谐波（SHG）显微成像来观察液滴并验证了极化秩序的存在（图3a, d-g）。简易的SHG显微成像虽然能够探测极化的方向，但同时会保留极性取向的头尾对称性，仍然无法得到液滴中的具体极化取向。二次谐波干涉（SHG-I）显微是唯一能够探测松散流体材料的极性特性并对极性方向敏感的技术。通过SHG-I显微成像，最终从实验上确认四种极化场的存在（图3h-k）。这四种极化场分别代表左旋或者右旋，以及极化方向朝里或者极化方向朝外的极性拓扑结构（图3p-s）。通过系统的数目统计，发现四种极化场出现的概率基本相等。这种概率上的平衡性说明手性对称性的破坏完全来自极化相互作用和弹性相互作用的平衡。为了验证这一观点，我们对液滴的拓扑结构进行了数值模拟计算。 

图 4 受限在类圆柱空间中的铁电向列相液滴拓扑结构

        在模拟计算中，为了准确地表达铁电向列相体系中的各项自由能，作者对传统的弹性自由能进行了延伸，在自由能公式中创新性地加入极性相互作用项。通过对液晶弹性模量和极性相互作用强度进行调节，模拟得到五种稳态拓扑结构（图4a-f）：二维极化涡旋(Vortex)，逃逸涡旋(Escaped vortex)，同心圆半子(C-meron)，发散（收敛）手性极化半子(D-meron)和双极结构(Bipolar)。基于实验结果，作者确认了观察到的铁电向列相拓扑为发散（收敛）手性极化半子(D-meron)并通过模拟方法对手性极化半子的形成机理进行详细解释。模拟结果证明了铁电液晶分子间的偶极矩相互作用会引起系统的两种改变：第一种是非平凡拓扑结构的相变，第二种是手性构型的出现（图4g）。

        综上所述，作者在非手性的液晶体系中观察到类似磁半子极性拓扑的自旋结构。实验和模拟结果表明，这是液晶弹性和铁电极性相互竞争的结果。本研究为理解极性相互作用和液晶秩序多样化之间的复杂关系提供了新的视角，并为液态系统中极化拓扑的设计提供了新的理论思路。

Jidan Yang^#, Yu Zou^#, Wentao Tang^#, Jinxing Li, Mingjun Huang* ,Satoshi Aya*,Spontaneous electric-polarization topology in confined ferroelectric nematics,Nature Communications 2022,DOI:10.1038/s41467-022-35443-7.

https://www.nature.com/articles/s41467-022-35443-7

来源：高分子科学前沿

编辑：余锦婷

审核：谢晓晨