拓扑缺陷是一种不能连续转化为统一状态的有序参数构型。它们在物理学的各个领域都被观察到，比如合金、半导体、粒子物理和宇宙学。由于拓扑缺陷独特的物理性质，它们对于理解非平衡系统、无序系统、相变、受挫介质、生物系统等至关重要。例如，在标准的热大爆炸宇宙学模型中，对称性破缺的相变会自动导致各种缺陷的形成。这些缺陷后来形成了今天在宇宙中观察到的大尺度结构，如宇宙弦、结构和畴壁。然而，在许多物理系统中，如宇宙学，做超出人类控制能力的空间和时间尺度的实验几乎是不可能的。幸运的是，液晶(lc)为研究拓扑缺陷提供了理想的测试平台。人们可以在lc中发现各种缺陷，包括斜折、位错、点缺陷、整体缺陷、畴壁和单极子。此外，与固体材料中的原子距离相比，由于lc的弹性常数非常小，其缺陷通常延伸到几十微米。此外，由于液晶固有的光学双折射，可以很容易地通过偏光显微镜(POM)观察到缺陷。

图1所示。粒子(R = 15 μm)的POM图像(上)和同向取向电池的负缺陷，以及相应的LC定向器分布示意图(下)。(a)土星环缺陷环绕粒子而不施加电场。(b)电场E =0.3 V/μm, f = 1 kHz时径向刺猬缺陷(s = +1)和相应的双曲刺猬缺陷(s = -1)(黑色箭头表示回流)。(c)在E = 0.3 V/μm, f = 1 kHz条件下(b)湮没后粒子的刺猬子缺陷。

我们研究了向列型lc中拓扑缺陷的湮灭动力学。在实验中，将具有负介电各向异性的向列LC填充到具有各向异性表面锚定(垂直于玻璃基板的长分子轴)的LC电池中。同时，加入少量的微粒。

填充后，远离颗粒的LC导向场由衬底的同向同性边界条件决定。质点附近的LC指向器由于同向异性表面锚定在质点上而发生畸变，在赤道处形成环绕质点的线缺陷，即土星环缺陷。

LC电池的内表面涂有透明的氧化铟锡(ITO)电极层。然后将垂直于电池表面的交流电(AC)电场施加到LC样品上。由于负介电各向异性，LC分子垂直于电场方向重新排列，导致对称破缺转变，并伴随大量脐带缺陷的形成。为了使自由能最小化，粒子本身充当径向刺猬缺陷(年代= +1)，它与几个双曲刺猬蛋白缺陷(年代= 1)。因此，微粒完全被困在正缺陷中，而负缺陷则没有微粒。由于弹性引力，F_一个，在粒子和缺陷周围的扭曲区域的诱导下，“正粒子缺陷”和负LC缺陷缓慢地相互靠近并最终湮灭。湮灭过程后，为满足拓扑约束，环绕粒子的初始土星环缺陷将转变为靠近粒子的双曲刺猬缺陷。

在实验中，我们使用不同孔径的LC电池和不同直径的微粒子来研究湮灭动力学对这些参数的依赖关系。同时，系统地研究了电场强度、频率和温度对湮灭过程的影响。

综上所述，研究表明缺陷湮灭过程的动力学与弹性引力、粘性阻力、回流效应、导流器配置和胞体约束之间的复杂相互作用有关。我们希望这样的研究最终可以为研究宇宙学中的缺陷提供新的见解。

袁申，Ingo Dierking
英国曼彻斯特大学物理与天文学系

出版

向列液晶中微粒诱导拓扑缺陷的湮灭动力学
袁申，Ingo Dierking
2019年11月21日

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