近日，我院李炳祥教授、汤星舟教授与南京大学陆延青教授、纽约大学Juan de Pablo教授开展科研合作，在液晶物理学领域取得了新进展，成功实现了三维液晶孤子在界面处反射与折射行为的精确调控，并阐明其相关机制。相关成果通过直投的方式，以“Reflection and refraction of directrons at the interface”为题，发表于《美国国家科学院院刊》（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2025, 122, e2501488122）。我院为论文第一通讯单位，李炳祥教授、陆延青教授和Juan de Pablo教授为共同通讯作者，汤星舟教授、南京大学博士生李超逸、我院硕士生黄志军为论文的共同第一作者，康奈尔大学Nicholas Abbott教授对本工作做出了重要指导，芝加哥大学博士生陈雨曦与我院本科生赵家辉对本工作亦做出了重要贡献。

自17世纪惠更斯原理提出以来，反射与折射现象一直是波动研究的核心课题。在传统介质中，光波或声波在界面的行为遵循斯涅尔定律，其折射方向由两侧介质的折射率决定。近些年来科学家在超材料和手性介质中发现了负折射现象—即折射波与入射波位于法线同侧，引发了科研工作者对非常规波动传播机制的广泛关注。与此同时，负反射（反射角与入射角同号）也在特定对称性破缺界面中被观测到，为波前调控提供了新思路。在软物质领域，液晶因其分子取向的可控性成为研究波动物理的理想平台，特别是向列相液晶中通过外场驱动形成的三维指向子（directron），具有结构稳定、传播距离长、轨迹可控等特点。然而，现有研究存在显著局限：1、传统研究依赖介质物理性质差异，而均质系统中仅通过分子取向调控反射/折射的机制尚不明确；2、负折射和负反射在液晶孤子中尚未被系统观测，其拓扑保护特性与经典波动有本质差异。

为了深入解决上述问题，研究团队提出了一种全新的界面建构方式：在物理参数完全一致的液晶区域内，仅通过指向矢排列的空间变化构建出“结构性界面”，成功诱导液晶三维指向子在此界面上的反射与折射行为，并首次在该体系中观察到液晶指向子存在显著的负反射与负折射现象。研究利用光控取向技术实现了液晶分子排列的空间图案化，从而精确设计了指向子入射路径及界面两侧指向矢之间的夹角。实验表明，当入射角较小时，指向子往往表现出负折射；而在更大夹角下，负反射现象更为常见。与传统反射不同，这些路径选择并不遵循对称性法则，而是高度依赖于指向子接触界面瞬间所感知到的局域取向差异。进一步的实验统计与模拟分析揭示，在特定条件下，指向子会在不同实验重复中表现为反射或折射的随机性行为，其根源是液晶指向矢场在交流电压驱动下的周期性涨落。通过构建微观尺度的Frank-Landau自由能模型与宏观尺度的有效势能描述，研究团队从理论上还原了上述非确定性行为的物理机制。该工作展示了如何通过软物质系统的结构化设计实现复杂动力学行为的精确控制，不仅深化了对液晶中结构性界面传播现象的理解，也为发展可重构波动操控平台和新型软物质信息器件提供了全新思路。

图1 液晶指向子在指向矢界面处的反射与折射现象

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及江苏省前沿引领技术基础研究专项的支持。

论文信息：

Reflection and Refraction of Directrons at the Interface

 Xing-Zhou Tang†, Chao-Yi Li†, Zhi-Jun Huang†, Jia-Hui Zhao, Yu-Xi Chen, Nicholas L. Abbott, Juan J. de Pablo*,Yan-Qing Lu*, Bing-Xiang Li*

原文链接：

 https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2501488122