南京大学马玲玲/陆延青团队联合华南理工大学Satoshi Aya教授，在软物质非线性光子学领域取得重大突破。研究团队发现了一种兼具单极与双极序的液晶中间相（Nx相），并基于此成功研制出微型化、可电调谐的非线性矢量光学器件，首次实现了从单个元件直接产生并动态调控“非线性完美矢量光束”，为非线性矢量光场在集成光子芯片、量子信息处理及超分辨成像等领域的应用提供了新思路。相关研究成果发表于国际顶级学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。
非线性矢量光场作为一种在横截面上具有特定空间偏振分布的光场，在微观操控、精密加工与量子通信等领域展现出巨大潜力。然而，传统产生非线性矢量光束的方法通常依赖于干涉、笨重、复杂的光学系统，且难以动态调控，极大限制了其在集成化微型光子器件中的应用。如何利用简单的非线性光学结构，高效地产生并调控非线性矢量光束，一直是该领域面临的核心挑战。
研究突破：发现新奇中间相，奠定技术基础
面对上述挑战，研究团队设计并合成了一种新型高极性液晶材料（NJU001）。在其从传统向列相（N相）冷却至铁电向列相（NF相）的过程中，团队发现了一个关键的中间相——Nx相。该相态具有前所未有的特性：其中非极性序与极性序形成了周期性交替排列的单极性序（相邻区域极化方向相同）与双极性序（相邻区域极化方向相反）拓扑结构。理论模拟进一步揭示，是“挠曲电效应”与体系能量之间的复杂竞争主导了这种无缺陷极性结构的形成。
图1. 中间相Nx中的单极与双极序构
技术实现：从“流体铁电畴工程”到“非线性矢量光学器件”
基于Nx相的特性，研究团队利用先进的光控取向技术，成功实现了大尺度、无缺陷的“流体铁电畴工程”，如同为极性拓扑结构进行精密的“光刻”。他们制备了从连续变化到二元分布的多种复杂极性图案，甚至高保真地“印制”了世界名画《戴珍珠耳环的少女》。
图 2. 流体铁电畴工程
基于以上技术，研究团队以产调非线性完美矢量光束为例，构建了系列非线性液晶微纳器件，其独特之处在于其极性取向被设计成具有特定拓扑分布的多层级超结构。
（1）团队提出并验证了“非线性马吕斯定律”，为直接设计和制备微型化非线性矢量光子器件提供了理论支撑。
（2）当一束简单的线偏振基频光通过该器件时，无需任何后续复杂光学元件，即可直接产生非线性的二次谐波“完美矢量光束”。该光束不仅具有环状的强度分布，其偏振态在横截面上也呈现完美的矢量拓扑结构。
（3）研究人员证实，产生的矢量光束其环形直径和强度分布不随偏振拓扑荷的改变而改变，满足了“完美矢量光束”的标准，这对于其在高质量信息处理技术中的应用至关重要。
（4）得益于液晶材料对外场的快速响应特性，研究人员仅施加极低电场（0.12 V/μm），便实现了非线性矢量光束强度的周期性“开关”调控，展现了器件优异的可重构性。
图 3. 微型化可调谐非线性矢量光学器件
本工作不仅发现了一种新颖的软物质铁电相态，更重要的是，它将基础物理的发现与前沿软物质光子技术紧密相连，成功演示了一种全新的、微型化的非线性矢量光子技术。这项研究将原本庞大复杂的矢量光场生成系统集成于一个微米级的平面光子器件中，体积缩小超百万倍，同时实现了动态调控，为下一代集成化、可编程的光子芯片，特别是在非线性光学信息处理、量子光源及光学传感等领域的发展，提供了全新的解决方案。
该研究成果以“Periodically-modulated unipolar and bipolar orders in nematic fluids towards miniaturized nonlinear vectorial optics”（向列相流体中周期性调制的单极和双极性序：用于微型化非线性矢量光子学）为题发表于《自然·通讯》。
南京大学现代工程与应用科学学院硕士生张广阳为论文第一作者，南京大学马玲玲特聘研究员、王瑜副教授、陆延青教授及华南理工大学Satoshi Aya教授为共同通讯作者。南京大学王泽宇、潘锦涛、魏阳、叶永、王宁与华南理工大学林恩俊、杨吉丹、邓明慧等对该工作亦有重要贡献。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助，以及固体微结构物理全国重点实验室等平台的大力支持。
论文链接：
G.-Y. Zhang, et al. Periodically-modulated unipolar and bipolar orders in nematic fluids towards miniaturized nonlinear vectorial optics, Nat. Commun. 16, 9419 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-64463-2
撰稿|课题组
