近日，我院李炳祥教授、南京大学陆延青教授和华南理工大学Satoshi Aya教授开展科研合作，在铁电液晶领域取得了新进展，成功实现了流体铁电畴的多维度操控，展示了空间极化分布在非线性光场调控的应用。相关工作以“Domain engineering in ferroelectric nematics for nonlinear optical modulation”发表在《Science Advances》上。南京大学陆延青教授、我院李炳祥教授、华南理工大学Satoshi Aya教授和南京大学刘袁博士为本文共同通讯作者。南京大学博士生李超逸、南京大学助理教授顼晓仪、我院青年老师杨吉丹为本文第一作者。南京大学马玲玲助理教授、张勇教授，我院研究生孙路瑶、黄志军和Susanta博士亦对本文有重要贡献。
随着智能内存与类脑计算、非线性光场调控和量子计算等领域的迅猛发展，如何在铁电体内精准操控铁电畴自发极化的连续偏转来实现光的多维度调控和复用，已成为科学家们面临的一大挑战。传统的外加电场、热辅助和飞秒激光直写等技术可在固态铁电体中实现铁电畴内自发极化的翻转或擦除。但受限于晶体的对称性，目前仍难以在固态铁电体中控制自发极化偏离晶轴、实现其连续旋转。
面对这一难题，研究团队利用铁电序和液晶向列序的完美耦合的新型铁电向列相液晶材料DIO，提出了一种流体铁电畴操控与非线性光场调控的创新策略。研究团队通过表面光控取向层来调控对铁电液晶分子的锚定力，以及利用其来和铁电分子间的静电力进行抗衡，有效地控制了铁电均匀极性单畴、螺旋扭曲结构、极性涡旋以及极性扭曲涡旋的形成，实现了流体铁电畴自发极化的可控连续旋转以及多维度操控（图1）。这种基于光控取向技术的流体铁电畴工程，在空间结构操控方面具有高度灵活性，且能够精确控制铁电液晶内部极化方向的排列，为在流体铁电中实现自发极化畴的多维操控提供了思路。
图 1： 光控取向及铁电畴结构的操控。
此外，研究团队基于光控取向技术，利用铁电向列相液晶DIO构筑了极性偏振光栅，展示了具有连续渐变极化取向的铁电畴结构不仅能实现对基频光的线性调制，还能对倍频光的相位进行独特的非线性连续调控，如在多个衍射级上对二次谐波的偏振进行调节（图2）。这种极性偏振光栅探索了极性超结构在非线性几何相位器件中的应用可能，为非线性几何相位器件和光信息复用器件的应用开发开辟了一条有前景的道路。
图2 极性偏振光栅及其光场调控
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前沿引领技术基础研究专项等项目资助。
论文信息：
Domain engineering in ferroelectric nematics for nonlinear optical modulation
Chao-Yi Li,1,2† Xiao-Yi Xu,1† Jidan Yang,2,3† Yuan Liu,1* Lu-Yao Sun,2 Zhi-Jun Huang,2 Susanta Chakraborty,2 Yong Zhang,1 Ling-Ling Ma,1 Satoshi Aya,3,4* Bing-Xiang Li,1,2* and Yan-Qing Lu1*
原文链接：
DOI: 10.1126/sciadv.adu7362
