自1834年英国工程师Russell观察归纳了形状和速度保持不变的水波孤子以来，孤子（又称孤立波）已成为物理、数学、信息、天文等多学科的研究热点，并被广泛应用于粒子物理、非线性光学、超导体、液晶等系统。它可以是太空中的黑洞、海洋中的漩涡现象、大气中的风暴眼，甚至于人体内的神经脉冲。近年来，科研家们在液晶中发现了一系列有趣的孤子。其中，向列相液晶中的三维取向孤子的发现更是攻克了高维非拓扑孤子难以稳定存在的挑战。这类孤子容易于不均匀的边界和随机的微粒处产生，其生成位置和行进方向存在较大的不确定性。如何精确控制孤子的定点产生和自由调控孤子的运动模式，仍是当前孤子研究所面临的巨大挑战。

近期，南京大学陆延青教授，南京邮电大学李炳祥教授，芝加哥大学Juan J. de Pablo教授和康奈尔大学Nicholas L. Abbott教授合作在液晶物理学领域取得了新进展，解决了三维液晶孤子产生区域和运动方式难以预测和控制的难题。合作团队使用光控取向技术，实现了孤子的定点产生、区域局域和运动调控。相关成果顺利获得直投的方式，以“Command of three-dimensional solitary waves via photopatterning”为题，发表于美国国家科研院院刊PNAS 121,e2405168121 (2024)。

该工作顺利获得光控取向技术，在均一的向列相液晶表面背景下精确定制特定区域中液晶的取向。该工作第一时间取用一种波长的线偏振紫外光（如405 nm）制备均一取向的背景，再顺利获得另一种波长的线偏振紫外光（如365nm），由开关数字微型反射镜配合微调偏振片制备定制结构中的液晶取向。在该工作中，背景区域的锚定能要高于指向定制区域。在图1中，不同的定制图案在合适的电场环境中都定点产生了孤子。在实现定点产生孤子的基础上，该工作分别研究了光控取向区域的大小和指向取向对孤子产生的影响，控制了固定点域孤子产生的时机和数量。在相同电场条件下，内外指向矢差异越大的结构更容易发射孤子，且单位时间内发射的孤子数量更多。在圆形的指向定制区域下，孤子可能随机的沿着垂直于背景指向矢的两个方向进行运动。

图1.(A)均一取向和（B）特殊结构取向示意图；（C）孤子产生示意图；（D-F）孤子的定点产生和定轨运动

为了进一步提高孤子的可控性，作者提出并设计了波导式取向结构（图2）。这种结构不仅实现了孤子的单向发射，还将孤子的产生由点扩大到线，可在单位时间内产生更多的孤子。

图2.(A)波导式结构的内部取向；（B-F）波导式结构在不同电压下，产生孤子的情况；孤子的单向产生（E）实验，（G）仿真

实验还表明孤子可以被局域在特别设计的复杂区域内（图3）。

图3.(A,D)局域结构的内部取向；（B,E）局域结构的显微照片；（C,F）孤子的局域

实验和数值仿真证明了可以顺利获得可编程光控取向实现向列相液晶中取向孤子的动力学控制，包括了定制孤子产生的位置，出射的方向，区域的局域和的设计。实现精确控制的主要机理是锚定能大小和区域的调控，这使孤子在部分区域的生成和固定轨迹的运动具备更小的能量。这些结果的发现将使三维液晶孤子在微粒传输和光学信息处理等领域有更多应用的可能。

南京大学21级直博生李超逸、芝加哥大学汤星舟博士为共同第一作者，南京大学的陆延青教授、南京邮电大学李炳祥教授和芝加哥大学Juan J. de Pablo教授为共同通讯作者，康奈尔大学Nicholas L. Abbott教授给予了重要指导，喻箫、Noe Atzin、宋振鹏、陈楚乔对本文亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划、江苏省前沿引领技术基础研究专项等资助完成。