TCL青年学者｜Satoshi Aya：专注新型液晶材料的开创性研究

　　液晶是一种独特的物态，它既拥有晶体的光学各向异性，又具备液体的流动性。这种材料因其卓越的光电特性，在与薄膜晶体管结合后，引领了显示技术的革命，催生了一个年产值高达千亿美元的产业。除了在显示技术领域的应用，液晶在光电信息存储、5G/6G通信、虚拟/增强现实、人工智能、量子信息以及激光武器等领域也展现出广阔的应用前景。

图：Satoshi Aya教授作邀请报告

　　Satoshi Aya教授专注于探索平衡态下的液晶新物态及其光电应用，主持了包括“十四五”国家重点研发计划的课题在内的多项重大项目。近年来，他运用化学、物理、材料科学和信息科学等多学科交叉的方法，对铁电向列型液晶等新型电极化液态材料进行了开创性研究，并结合机器学习、理论计算和化学合成筛选方法，确立了新型电极化液态材料的通用设计策略，深入阐释了其物理拓扑结构和革命性的光学/介电性质，开发了基于新原理相位匹配机制的高效非线性波长转换器件。这些基础科研成果不仅深化了我们对变革性电极化取向序物态的理解，也为推动其光电应用奠定了坚实的基础。

　　2020年，美国科罗拉多大学Clark院士团队首次证实了高流动性铁电液体——铁电向列相液晶的存在，这一突破性发现被英国物理学会《Physics World》评为2020年度物理学十大突破之一。然而，由于这类新物态的研究历史较短，缺乏普适的设计方法，材料种类极为有限，这极大地制约了对物性的观察、精密测量、调控及优化。为此，解决这些科学技术难题是推动其走向实际应用的关键前提。

图：Satoshi Aya教授与黄明俊教授课题组的联合晚餐

　　自2019年起，Satoshi Aya教授在国内率先开展了铁电向列型液晶材料的开发研究。针对当前铁电液晶材料面临的稳定性差、化学结构单一等瓶颈问题，团队通过密度泛函理论计算和机器学习，深入揭示了分子结构如何影响相态稳定性以及如何调控材料的相变过程。在此基础上，团队建立了一套具有普适性的分子设计与合成策略，为分子化学结构的设计和合成材料的相行为分析提供了重要指导。

　　极化与自旋（磁化）具有镜像对称性，两者均可在取向序物态中产生丰富的相位缠绕结构（即矢量性拓扑）及物性，在信息存储、量子通信和光电子器件等前沿领域得到了广泛研究和应用。然而，此前对矢量性拓扑及其物性的研究主要集中在磁体系统或固体铁电系统中，液态电极化物态中是否存在类似甚至更加独特的相互作用仍是一个未解之谜。这一问题的解答对于探索液晶新奇结构与物理效应至关重要，也为软物质领域带来了新的物理机制和应用机遇。

图：Satoshi Aya教授（左二）与香港科技大学Neyts Kristiaan教授（中间）及香港科技大学Vladimir G. Chigrinov教授（右二）的合影

　　Satoshi Aya教授的研究发现，新型铁电向列相液晶及其多种衍生电极化液晶是一种兼具液态流动性和电极化特性的软物质物态。当材料进入电极化物态时，体系在宏观尺度上会产生自发极化。这种宏观长程有序的电极化取向序结构能够与液晶弹性、强挠曲电效应以及退极化效应发生新型的物理耦合，从而诱导出多种新型的电极化拓扑结构，并引发高介电性、强非线性光学效应以及超低电压驱动等变革性的光电特性。这一发现为深入研究电极化物态中的拓扑物理及其物性提供了一个独特而新颖的契机，为相关领域的科学探索开辟了新的方向。

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