《Nature》：具有M?bius条带拓扑的液晶缺陷结构的研究微生物

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据悉，美国科罗拉多大学研究人员对拓扑缺陷的研究以“Liquid crystal defect structures with M?bius strip topology”为题发表在《Nature》nature physics上。
【《Nature》：具有M?bius条带拓扑的液晶缺陷结构的研究】拓扑孤子通常以能量最小的场构型出现，但稳定的空间局部化对象与共存的孤子结构和奇异性缺陷的例子很少。研究人员使用一个非极性手性液晶系统来展示扭转畴壁如何与涡流共同自组装，形成具有自发折叠的空间定域拓扑对象。这些孤子-涡旋组合，研究人员称之为“m?biusons” ，具有类似于M?bius条带表面的分子对齐场拓扑结构。在以电脉冲的形式提供能量后，具有不同整体对称结构的m?biusons表现出依赖于折叠的旋转和平动，以及可以通过调节应用场的振幅和频率来控制的拓扑载货能力。研究人员演示了各种m?biusons之间的按需转换，并展示了通过操纵这种结构中的折叠来编码信息的示例。在这项研究中，研究人员展示了手性LC中的孤子扭转壁如何与涡旋共同自组装，然后自发折叠成不同的空间局部化构型。非极性定向场n(r) ，它描述了平均局部棒状LC分子对准方向，展示了高度精细的三维(3D)结构，包括孤子和奇异性区域与不可定向的n(r)切线到M?bius条的表面。这些空间局部扭动，研究人员称之为“m?biusons” ，自发折叠成具有不同对称性的不同结构。研究人员通过非线性光学显微镜和最小化Landau–de Gennes自由能分别重建和数值模拟3D n(r) ，显示m?biusons如何从竞争的自由能贡献中脱颖而出。 M?biusons显示相互转换，对称依赖的电力旋转和平移运动和载货能力，超过已知的缺陷和孤子的非平衡动力学效应。为了创建m?biuson ，研究人员首先施加U≈3.5 V的电压，通过使用激光镊子对手性LC进行局部熔化，生成一个局部纤维样结构的扩展片段，其宽度为180°扭曲n(r) ，然后淬火回中间相(图1c和补充视频) ，该过程允许嵌入拓扑上非普通的n(r)配置。当在LC上施加U≈3v的电压时，这种纤维状扭曲区域会自发弯曲和折叠(图1d和补充视频1) ，直到最终放松成各种稳定的m?biuson构型(图1e-i) ，这些构型取决于原来直纤维的长度。这些涌现的m?biusons是基于折叠数N(图1e-i)及其偏振光学显微图(POMs)的对称性进行分类的，其中具有镜面对称和右或左折叠的结构分别用NM、NR和NL表示。 NM的显微照片m?biusons包含一个单一的镜面对称平面，其特征为二维(2D)对称群D1(图1e) 。 NR或NL结构的每张显微照片都包含一个双重旋转轴(2D对称群C2) ，而NR和NL是彼此的镜像(图1fg) 。偶数- n m?biusons是NR或NL ，它们的末端分别逆时针或顺时针折叠，而奇数- n m?biusons是NM 。在特殊情况下(图1) ， N = 2的m?biusons表现出三种类型(2M 2R和2L) ，N = 1的是D∞对称的托子(图1h) ，用1∞表示。 M?biusons可以通过折叠的创建和湮灭进行相互转换，保持或改变2D对称性。例如，当电压超过初始平衡值增加~0.02 V时， m?biuson可以转换为低N的对应物(补充视频2) 。这个折叠湮灭过程通过以下选择规则使N减少2:镜像对称的m?biusons保持对称性并转换为NM→(N?2)M ，而左或右的则改变了手性，即NR→(N?2)L和NL→(N?2)R 。但N≤3的low-N m?biusons是例外，其中所有对称的3M→2M和N = 2都可以转换为1∞ 。为了给现有的局部激发增加额外的折叠顺序，可以用激光镊子抓住初始m?biuson的一端，然后慢慢拉伸它。关闭激光后，随着拉长的m?biuson以相反的顺序遵循转换规则向平衡演化(补充视频3) ，新的褶皱出现。稳定的m?biusons可用于编码信息，如图1i中' CU '的示例所示。

图1:m?biuson族。 a ，一个N = 40的m?biuson(左， 40L)及其M?bius-like构建块(右上)的POM图像，其中director字段与M?bius条带的表面相切。在这里， n(r)根据颜色编码的顺序参数空间(右下)中显示的方向进行着色。 b ，由纸制成的M?bius条。 cd ，线性(c)和自发弯曲(d)纤维样结构的POMs 。 e -h POMs(左)和m?biusons的亮场图像(右) ，具有镜像对称(e) ，右- (f)和左折叠对称(g) ，以及D∞对称(h) 。 i ，使用字母ASCII码对' C '和' U '进行实验编码，其中m?biuson的折叠数与ASCII表相关。所有图像的细胞间隙d = 10 μm ，间距p = 4.6 μm (d/p = 2.2) ，U≈3.0 V 。 POMs中交叉偏振器的方向用双箭头表示。比例尺a为30 μm c-h为5 μm i为30 μm 。为了理解m?biusons形成背后的机制，研究人员研究了它们的内部结构。折叠前，纤维样平移不变特征(图1c) ，包括在顶部和底部基片上的扭曲壁和两条涡线(扭曲倾斜) ，它们在指端旋转并闭合成一个环路(图2a - c) 。这个非奇异性壁是嵌入在展开导波场背景n0中的一维孤子，其物理空间的一点紧化将180°扭转后的等效导波方向连接起来，很像用纸制作M?bius条的情况(图1b) 。涡旋线的一个环将扭曲壁嵌入到n0背景中，如图2ab所示，其中孤子和涡旋都被标记为第一个同伦群π1(S2/Z2)的元素。

《Nature》：具有M?bius条带拓扑的液晶缺陷结构的研究

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