物质科学
Physical science
近期，南京大学马玲玲/陆延青团队联合张勇团队在室温“冰态”铁电向列相液晶（iced ferroelectric nematics）的飞秒激光直写极化畴工程中取得重要进展。团队首次提出并验证了热电场与剪切流场协同作用的激光加工新机制，实现了在传统取向技术失效的“冰态”铁电相中复杂极化结构的无电极全光制备。这一成果将原本被认为无法图案化的材料转变为先进非线性光子学器件的可编程平台。研究成果以“Thermoelectric-flow synergy for femtosecond laser writing of iced ferroelectric nematics”为题发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上。
南京大学马玲玲特聘研究员、张勇教授与陆延青教授为本文共同通讯作者。南京大学博士生陈超、副教授顼晓仪、硕士生郭柯漪、特聘研究员陈召宪、博士生潘锦涛为本文（共同）第一作者。南京大学朱柏翰、许敏兴、魏阳博士、谢尘竹和韩露副教授对本文亦有重要贡献。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金与江苏省自然科学基金等项目资助，并依托固体微结构物理国家重点实验室等科研平台完成。
研究背景
飞秒激光直写技术彻底改变了硬质材料中的微纳制造，但在操纵具有复杂相变和流动特性的软物质系统方面的潜力仍未被充分发掘。近年来发现的铁电向列相液晶（如RM734）结合了液晶的流动性与强大的自发极化特性，在电光和非线性光子学领域展现出巨大潜力。然而，这类材料普遍存在工作温度区间过高的问题，在室温下会处于一种多晶的“冰态”相，传统的表面取向技术（如光控取向或摩擦取向）在这种极性晶体状态下失效。因此，如何在室温“冰态”下实现确定性的畴结构工程，成为该领域开发非线性光电子器件的重大挑战。针对这一技术瓶颈，团队依托飞秒激光平台，系统开展了激光与这种复杂多相体系的相互作用机理研究，探究了超快激光如何在流体、极性和类固态多相转变中定义自发极化序。
技术创新点
创新点一：突破传统取向限制的飞秒激光全光直写技术
研究团队利用800nm中心波长的飞秒激光，通过共振增强的三光子吸收效应，将能量精准聚焦在“冰态”RM734薄膜内部。在传统光控取向层无法控制极化畴的情况下，该激光直写技术通过调节激光功率（大于90mW）和扫描参数，成功在液晶薄膜内部写入了具有清晰边界的铁电畴线。这是一种无需电极、不依赖表面预设取向的非接触式加工方式，实现了常温固态铁电液晶内部微观极化结构的确定性编程修改。
图1. 展示了飞秒激光直写“冰态”RM734材料的微观形貌及不同加工参数下的铁电畴线演化规律
创新点二：揭示热电场与剪切流协同作用的极化畴组装新机制
针对超快激光与复杂多相态液晶的相互作用，团队提出并证实了一种相变协同组装机制。在飞秒激光的局部热累积作用下，激光焦点处产生了极大的温度梯度，进而在材料内部激发了高达 105V/m 的强局域热电场（Thermoelectric field）。同时，局部温升降低了铁电材料极化翻转所需的矫顽场（Coercive field）。当局部热电场超过矫顽场时，即可驱动周围“冰态”液晶分子的自发极化方向发生反转。此外，激光引起的局部熔化及焦点的高速扫描还产生了流体剪切流（Shear flow），通过流体动力学力矩克服了表面锚定，引导液晶分子向特定的流体方向排列。这种热电场诱导的周边极化翻转与中心剪切流引导的排列相协同，共同决定了最终形成的复杂极化架构。
图2. 展示了飞秒激光直写技术的物理工作原理，包括局部热电场、矫顽场分布以及热电-流体协同诱导RM734铁电畴演化的核心机制
创新点三：构建可重构非线性光学衍射器件
依托上述独特机制，研究团队首次在“冰态”铁电向列相液晶中成功制备了具有复杂二阶非线性极化率x（2）图案的光子学器件。团队灵活设计并加工了辐射状/圆环形结构、非线性拉曼-纳斯光栅以及带有拓扑缺陷的叉形光栅。这些结构对入射基频光展现出优异的非线性调制能力，能够实现光学二次谐波信号产生和非线性光束偏转。利用激光直写的叉形光栅，团队成功生成了携带轨道角动量的二次谐波光学涡旋。这表明该技术能够将复杂的拓扑相位结构精准写入软物质铁电材料中。
图3. 展示了面向非线性光场调控的“冰态”铁电液晶可编程结构及非线性拉曼-纳斯光栅的设计与光束偏转实验结果
图4. 展示了飞秒激光直写的非线性叉形光栅，及其二次谐波涡旋光束生成和轨道角动量调控的应用验证
总结与展望
该研究首次实现了软物质铁电材料的飞秒激光直写，通过独特的热电场-剪切流协同自组装机制，打破了“冰态”铁电向列相液晶不可图案化的技术瓶颈。这项“自上而下”的全光极化控制技术独特的灵活性，无需掩模或复杂电极即可制备按需设计的二阶非线性光子器件。未来，该可编程非线性光学平台有望在超快全光开关、高密度非易失性铁电存储、可编程量子纠缠光源以及光学斯格明子等新兴领域发挥关键作用，为集成光学和量子信息处理提供了独具潜力的软物质方案。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请本文研究团队进行了专访，请他们为大家进一步解读。
CellPress：
近年来，铁电向列相液晶研究发展迅速，那么，请问马老师，如何想到要去研究“冰态”的铁电向列相液晶？
马玲玲研究员：
这一科学构思的诞生，源于我们对材料局限与应用场景之间矛盾思考。诚然，现在人们对铁电向列相液晶的研究已经非常广泛，但其铁电相往往存在于较高温度区间，在室温下极易结晶且取向技术失效，这始终是器件开发的“绊脚石”。我们意识到，与其耗费精力通过分子改性、混配等方法去抑制室温结晶，不如尝试“废物利用”，将室温下“冰态”铁电向列相液晶的非线性光学功能发挥出来。
CellPress：
您在文中提出的“冰态”铁电向列相的概念。相比于传统的固态铁电体和液态流体，这种冰态在飞秒激光作用下，有哪些独特之处？
马玲玲研究员：
传统的流体或高流动性软材料通常呈现高对称性，从而很难具备自发极化和偶数阶非线性光学响应。1916年，Born指出了向列相液晶体系中存在铁电性的可能性。一个世纪后2020年，铁电向列相液晶状态被美国科罗拉多大学Clark院士研究团队所证实，同时被英国物理学会(IOP)Physics World 评选为2020年度十大突破之一。
相比于传统的固态铁电体和液态流体，该材料一个非常有趣的特点是能在不同温度下呈现出多种相态，包括各向同性态、普通向列相、铁电向列相以及冰态铁电相。当飞秒激光的功率足够高时，局部温度升高会引起局域相变。利用这一效应，我们将这种强大的加工技术应用于兼具复杂相变与流动特性的动态软物质系统，特别是用于在多相复杂系统中直接写入极化序。这是一项复杂而又极为有趣的研究。
CellPress：
从传统硬质材料的激光加工切换到具有流动和多相转变特性的复杂软物质体系，您在这个交叉领域的研究中遇到了哪些困难和挑战？
张勇教授：
超快激光与这种包含流体、极性和类固态多相转变体系的相互作用机理非常复杂。在这个过程中，我们遇到的最大挑战是难以理清并剥离微观尺度下的复杂物理现象。例如，我们必须精准调控激光功率和扫描速度等参数：功率过高会引发材料“爆炸”形成团簇损伤，而速度过快则会导致液晶分子来不及重新取向，从而极大影响极化畴的均匀性。为了揭示背后的“热电场-剪切流”协同机制，我们需要打破单一学科的局限，建立包含热传导方程、电磁学多物理场的有限元模型。这个过程需要结合相位匹配理论、延迟波片测试以及大量数值模拟来进行反复对照与验证。这也让我们深刻认识到，解决实际的新型交叉前沿问题，需要充分结合光学、凝聚态物理与流体力学等多学科的养分，保持耐心去逐一攻关。
CellPress：
最后，展望未来，您认为这种飞秒激光直写铁电液晶畴工程将如何塑造下一代光子学应用？
陆延青教授：
这种全光极化畴操控技术赋予了我们非常好的灵活性。我们不再需要复杂的掩模板或高压电极光刻工艺，只需单一的聚焦飞秒激光束，就能在一次扫描中同步实现局部相变诱导和铁电极化图案的定义。得益于液晶材料的可重构特性，该技术不仅有望用于高效频率转换、超快全光开关以及高密度非易失性铁电存储，还为可编程量子纠缠光源的制备、甚至光学斯格明子等复杂结构光场的生成提供了具有潜力的软物质方案。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter
▌论文标题：
Thermoelectric-flow synergy for femtosecond laser writing of iced ferroelectric nematics
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238526001293
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.102766
原标题：《液晶光子学Matter：飞秒激光直写“冰态”铁电向列相液晶 | Cell Press对话科学家》
