近日，南方科技大学机械与能源工程系、复杂流动和软物质研究中心教授韦齐和团队与华南理工大学黄明俊、Satoshi Aya，香港科技大学张锐等教授团队合作，研究铁电液体的畴界，发现新型的手性畴界及Φ4扭结，相关研究成果以“Chiral π domain walls composed of twin half-integer surface disclinations in ferroelectric nematic liquid crystals”为题发表在学术期刊 PNAS 上。

向列相液晶是由棒状分子组成的软物质，既有晶体的光学性能、又有液体的流动和刺激响应特性。它的应用无处不在，包括电视、电脑、智能手机的显示屏到光交换的核心芯片。然而，这种向列相液晶是没有电极性的。近年，液晶研究的一个重大突破是由日本和英国的科学家合成的强极性液体被证明为铁电向列相液晶，证实了诺贝尔奖获得者 Max Born 1906年的理论预言。这种新型的极性液晶展现出独特的物理性能，包括自发极化、高介电系数和低驱动电压等，在高效光电器件、新型存储技术、拓扑光子学与量子技术等领域都有巨大的应用前景。

π 畴界广泛存在于铁电材料中，分隔具有不同极化方向的畴。畴界结构是固体物理的经典问题，长期的共识是铁电畴界是 Ising 型，没有复杂的拓扑结构。韦齐和教授团队及其合作者的研究发现，铁电向列液晶中的 π 畴壁表现出多层级拓扑结构：该畴壁由孪生半整数表面向错组成，孪生向错的几何排列具有简并性，导致产生 Φ4 扭结和反扭结。这些扭结和反扭结将畴界分隔为具有左旋或右旋极化扭曲的子区域，类似于一维的 Ising 链，这和固体铁电材料中的 Ising 型畴界完全不同。

这些结构的手性拓扑澄清了铁电畴在外场作用下极性转换的机制，对于优化铁电材料在需要精确极化控制的应用中的性能具有重要意义。这项研究对畴界控制、畴工程、以及铁电器件应用至关重要，为设计和操控极性液体开辟了新的思路。

论文第一作者为南科大机械与能源工程系和香港科技大学物理系联合培养博士生易声柱，由韦齐和和张锐教授共同指导。韦齐和为论文通讯作者，南科大为论文第一单位。该研究得到了国家物态调控重点研发专项和自然科学基金经费的支持。