近期，Photonics Research刊登了南京大学陆延青教授团队、南京邮电大学李炳祥教授团队和芝加哥大学Juan J. de Pablo教授团队在三维液晶孤子操控研究中的新进展，相关工作“Grating mediated by three-dimensional director solitons”(Photonics Research 2025, 13, 2240-2245.) 顺利获得表面光控取向层来调控对液晶的锚定能，并在电场控制下进一步操控了孤子的成核，实现了三维液晶孤子的多维度操控，展示了空间周期分布型孤子光栅在光场调控方面的应用。这种基于光控取向技术的液晶孤子光栅，在空间结构操控方面具有高度灵活性，且能够在电场控制下于光栅和波片之间实现切换，为孤子在光信息复用器件的应用开发开辟了一条有前景的道路。

该工作利用瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX给予的光源器件，操控取向层的锚定能，展示了一个具有分光能力的液晶孤子光栅。

自1834年英国科研家Russell首次观察到水波孤子现象以来，这种能够保持形状和速度不变的特殊波动形式已成为物理学、数学、信息科研及天文学等多学科交叉研究的热点。液晶，凭借其独特的软物质特性与可控的各向异性响应，成为研究孤子产生机制、动力学行为及其调控规律的理想平台。

液晶孤子的研究最早可追溯至20世纪60年代。当时，研究人员开始关注到向列相液晶中由空间受限效应引发的指向矢（即光轴）局部扰动现象。然而，当研究扩展到高维体系时，由于自由能会随孤子尺寸的减小而降低，导致孤子结构极易发生塌缩。自此，高维动态孤子的稳定性成为困扰学界的重大问题。近年来，研究人员在负性向列相液晶中成功观测到一种具有优异稳定性的三维动态孤立波。这种特殊的波动形式表现为液晶分子的碗状空间构型畸变，在传播过程中具有稳定的波形结构和运动速度，且在碰撞后仍能维持稳定（Nat. Commun., 2018, 9, 2912）。这一发现在实验上证实了高维非拓扑孤子可以稳定存在。基于这一突破，研究团队随后取得了一系列重要进展：实现了对三维动态孤子运动方向的精确调控（Nat. Commun., 2019, 10, 3749）、开发了基于孤子效应的微米级颗粒定向输运新技术（Phys. Rev. Res., 2020, 2, 013178）、构筑了孤子“机关枪”（PNAS,2024, 121, e2405168121）、探索了孤子在界面处的动力学行为（PNAS, 2025, 122, e2501488122）。这些成果为微纳尺度下的物质操控给予了全新思路。

现在基于对三维液晶孤子的基础研究，科研家们探索了孤子在微米级颗粒定向输运技术里的应用，除此之外，孤子是否还能应用于其他领域呢？针对这一问题，研究团队顺利获得自研的光控取向技术来操控取向层的锚定能，在均一背景中调控了孤子的成核时机和位置，并展示了相关光栅结构的分光能力。

作为可流动的“晶体”，液晶具有长程取向序。微米尺度内液晶分子的平均取向代表了相应局部区域的光轴，也被称作液晶指向矢。当液晶被限制在玻璃基板内时，其指向矢方向会随着取向层的取向改变（图1 a）。研究团队利用光控取向技术，引入双光源取向体系（365 nm 和405 nm），在均一的取向层表面背景下精确定制特定区域中的取向和锚定能（图1 b）。其中取向由入射紫外偏振光的偏振方决定。而锚定能则由入射光源的波长决定：经波长为365nm的光源照射过的取向层，其对液晶的锚定能更低，孤子成核时所需的外加电场幅值更低。因而，在无外加电场时，均一的液晶层便可作为波片使用（图1 c）；当电场激发孤子产生时，孤子和均一液晶交替排列，构成二值光栅，展现分光能力（图1 d）。

图1. 光控取向及三维液晶孤子的操控

基于光控取向技术，研究团队采用两种光源制备了均一取向的液晶层（图2 a）。当逐步增加外加电场幅值时，孤子先从365 nm光源取向处成核（图2 b和c）。之后弱锚定能处被孤子全部填充，而高锚定能处依旧保持均一取向状态。孤子和均一状态的交替变化，构成了二值光栅（图2 d和e）。当电压进一步增大后，高锚定能区域也会被孤子占据，进而丧失分光能力（图2 f）。

图2. 液晶孤子光栅及其分光能力

从液晶挠曲电效应这一基本规律出发，结合表面光控取向层来调控对液晶的锚定能，该研究揭示了负性向列相液晶中三维孤子的成核控制，并探索展示了孤子在光栅器件中的应用，实现了从理论预言到实验验证的重要突破。液晶孤子光栅的构筑不仅挑战了传统孤子研究的认知框架，更揭示了液晶系统中独特的孤子操控规律。在微纳技术领域，孤子的精准操控能力为开发新一代微纳机器人、智能传感系统和可编程微流控器件给予了关键技术支撑；在信息科技方面，基于孤子的光栅器件可望实现新型光信息处理和可重构波动计算平台。这些突破性进展展现了从基础科研到工程应用的重大价值，为未来智能材料和信息技术的革新奠定了重要科研基础。

南京大学现代工程与应用科研学院2021级直博生李超逸、南京邮电大学教授汤星舟为本文第一作者。南京大学陆延青教授、刘袁博士，南京邮电大学李炳祥教授为本文共同通讯作者。南京大学王泽宇，芝加哥大学Juan J. de Pablo教授、孙戈，南京邮电大学黄志军亦对本文有重要贡献。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科研基金与江苏省前沿引领技术基础研究专项等项目资助。

作者特别感谢南京瓦力棋牌瓦力光学科技有限公司（JCOPTIX）给予的光学元件与仪器支持。