液晶体系中拓扑孤子时空晶体：自发对称性破缺与多体相互作用的经典实现

研究人员通过设计光响应性染料修饰的向列相液晶（LC）体系，首次在经典软物质系统中观测到连续时空晶体（CSTC）。该研究解决了量子时间晶体难以直接观测的难题，利用拓扑孤子阵列的自发时空对称性破缺，实现了室温下肉眼可见的时空有序相。研究证实了CSTC具有准长程时间有序性（-t-0.09）和抗扰动特性，为光学器件、防伪加密等应用提供了新范式。

　　

在凝聚态物理领域，时间晶体（time crystal）的概念自2012年由Frank Wilczek提出以来便引发广泛关注。这种打破时间平移对称性的新型物态，最初被认为仅存在于量子系统中。然而，量子时间晶体难以直接观测的局限性促使科学家们思考：能否在经典系统中实现类似行为？传统液晶（LC）材料因其独特的光电响应特性和丰富的拓扑缺陷结构，成为探索这一前沿问题的理想载体。

Hanqing Zhao与Ivan I. Smalyukh团队在《Nature Materials》发表的研究，首次在向列相液晶体系中实现了经典连续时空晶体（CSTC）。研究人员通过将光响应性偶氮苯染料（azobenzene dye）修饰于液晶盒表面，利用光-弹性耦合效应诱导出由拓扑孤子（topological soliton）构成的周期性时空阵列。这种结构无需周期性外场驱动即可自发打破时空对称性，其毫米级尺寸和秒级周期特性甚至允许肉眼直接观测。

关键技术方法

研究采用光响应性染料dMR修饰玻璃基板构建液晶盒（厚度2-4μm），填充向列相液晶5CB。通过偏振光学显微镜（配备530nm波片）和三相激发荧光偏振显微镜（870nm飞秒激光）观测时空结构。数值模拟基于Frank-Oseen自由能理论，计算液晶指向矢（director field n(r)）的弹性变形与表面锚定能平衡，并采用Jones矩阵法重构偏振光学图像。

研究结果

时空晶体序的涌现

实验发现，当线性偏振蓝光（450nm）照射样品时，表面染料分子取向与体相液晶分子通过光-弹性反馈机制形成周期性Néel畴壁孤子阵列。这些具有±1拓扑电荷的孤子通过弹性相互作用形成类粒子多体系统，其时空有序性通过快速傅里叶变换（FFT）分析得到验证，显示0.217Hz（4.61s）的显著峰值。

数值模拟与相互作用机制

理论模型揭示孤子间存在等效弹性键相互作用，位移分布符合高斯型（图2e），对应小位移下的简谐势能景观（图2f）。这种多体相互作用维持了时空晶体的稳定性，其能量差约10k_BT_em，与LC介质中胶体晶体系统相当。

时空对称性破缺验证

通过阻断-重启光照实验证实时间相位随机分布于0-2π区间（图4c），符合自发对称性破缺标准。时空晶体在光强>1mW/cm²时稳定存在，其周期随温度升高而缩短，但对Frank弹性常数30%的变化仍保持鲁棒性。

技术应用潜力

研究展示了CSTC在动态Pancharatnam-Berry相位元件、光通信（图5）和多重防伪（图6）中的应用前景。通过叠加不同周期晶体可构建正交/单斜时空晶格（Extended Data Fig.5），其指纹状拓扑阵列（图6d,e）为高容量信息存储（>10⁵bit/s）提供了新思路。

结论与意义

该研究不仅首次在经典软物质中实现满足所有判据的时空晶体，更开辟了通过拓扑孤子多体相互作用调控时空有序性的新途径。其室温稳定、肉眼可见的特性突破了量子体系的观测限制，为时空群对称性研究和光电应用提供了全新平台。未来通过引入高维拓扑缺陷，有望实现更丰富的2+1D/3+1D时空晶体结构。