《自然物理學(xué)》重磅：拓?fù)錅u旋的可逆融合與裂變

在物理學(xué)和數(shù)學(xué)的宏偉殿堂中，拓?fù)鋵W(xué)一直扮演著核心角色。它關(guān)注的是物體在連續(xù)形變下保持不變的性質(zhì)，例如，咖啡杯和甜甜圈在拓?fù)渖鲜堑葍r(jià)的。近年來，這種抽象的數(shù)學(xué)概念在軟物質(zhì)物理學(xué)中找到了一個(gè)令人驚嘆的、可以被直接觀察和操控的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——手性向列液晶（Chiral Nematic Liquid Crystals, NLCs）。發(fā)表在《自然物理學(xué)》的《Fusion and fission of particle-like chiral nematic vortex knots》這篇論文正是這一領(lǐng)域的一個(gè)里程碑，它首次展示了對這些微米級、粒子狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行可逆的融合與裂變，如同對拓?fù)湮镔|(zhì)進(jìn)行“煉金術(shù)”般的操縱。

一、 渦旋結(jié)：拓?fù)涫睾愕牧Ｗ?/p>

1.1 宿主介質(zhì)與拓?fù)涔伦?/p>

研究的核心在于手性向列液晶。這是一種獨(dú)特的軟物質(zhì)，其桿狀分子不僅具有局部方向性（向列性），還因?yàn)榧尤肓耸中該诫s劑而自發(fā)形成宏觀的螺旋結(jié)構(gòu)（手性）。這種內(nèi)在的扭曲為復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了穩(wěn)定的“溫床”。

論文中的“渦旋結(jié)”（也稱為Heliknotons）正是這種環(huán)境中的拓?fù)涔伦印Ｋ鼈兪蔷钟虻摹⑷S的分子排列結(jié)構(gòu)，其核心是一條或多條相互纏繞、打結(jié)的渦旋線，即分子排布方向場的奇點(diǎn)。在理想流體或磁場中，渦旋或場線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往在耗散作用下迅速衰減。然而，NLC中的渦旋結(jié)之所以穩(wěn)定，是因?yàn)樗鼈儽煌負(fù)鋵W(xué)賦予了保護(hù)：結(jié)的類型是一種拓?fù)洳蛔兞俊?/p>

1.2 “去手性”渦旋線

值得注意的是，盡管介質(zhì)本身具有手性，但渦旋線的核心是分子有序度被破壞的非手性區(qū)域。作者將這些核心稱為“去手性渦旋線”，這類似于在晶體中破壞位置有序的位錯(cuò)或在向列相中破壞方向有序的散位。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)是維持其“粒子狀”穩(wěn)定性和可控性的關(guān)鍵。

二、 可逆的融合與裂變：紐結(jié)理論的物理實(shí)現(xiàn)

該研究最引人注目的貢獻(xiàn)在于，它實(shí)現(xiàn)了對這些粒子狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)和可逆的控制。作者利用電脈沖作為外部刺激，可以在亞秒級的時(shí)間尺度內(nèi)，誘導(dǎo)兩個(gè)獨(dú)立的渦旋結(jié)進(jìn)行融合，或使一個(gè)復(fù)雜的結(jié)裂變成更簡單的結(jié)構(gòu)。

2.1 融合：連通和的物理體現(xiàn)

當(dāng)兩個(gè)分離的渦旋結(jié)（例如兩個(gè)簡單的三葉結(jié)）在電場作用下被推近時(shí)，它們可以發(fā)生拓?fù)渲芈?lián)。在這一過程中，兩個(gè)結(jié)的渦旋線片段會(huì)靠近、斷裂，然后與對方重新連接，形成一個(gè)具有更高復(fù)雜度的新復(fù)合結(jié)。

這一過程是數(shù)學(xué)上紐結(jié)的連通和操作的完美物理體現(xiàn)。它通過局部的“帶狀手術(shù)”（band surgery）——即在兩個(gè)結(jié)上各切開一小段并用兩條新的線段連接切口，從而將兩個(gè)獨(dú)立的結(jié)合并為一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)。這種融合操作不僅增加了渦旋線的總長度，也增加了其拓?fù)洳蛔兞浚鏗opf指標(biāo)或廣義的自纏繞數(shù)，而系統(tǒng)的總拓?fù)浜稍谡麄€(gè)過程中是守恒的。

2.2 裂變：能量驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浞蛛x

更令人驚訝的是，作者證明了這種融合是可逆的。通過改變施加電壓的幅度和持續(xù)時(shí)間，可以誘導(dǎo)已融合的復(fù)合結(jié)再次裂變回其原始的、更簡單的組分結(jié)。

這與傳統(tǒng)流體中的渦旋不同。在牛頓流體或超流體中，渦旋結(jié)通常傾向于通過重聯(lián)迅速簡化并最終衰減成簡單的圓環(huán)，是一個(gè)不可逆的能量耗散過程。而在這個(gè)NLC系統(tǒng)中，通過精確控制電場，可以克服拓?fù)鋭輭荆瑢⒏吣芰繝顟B(tài)（復(fù)合結(jié)）精確地引導(dǎo)回低能量但仍穩(wěn)定的拓?fù)錉顟B(tài)（分離的組分結(jié)），從而實(shí)現(xiàn)可逆的拓?fù)溟_關(guān)。

三、 理論與應(yīng)用的深遠(yuǎn)意義

3.1 基礎(chǔ)物理學(xué)洞察

這項(xiàng)研究彌合了抽象的紐結(jié)理論與可觸及的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)之間的鴻溝。它提供了一個(gè)可控的、可見的平臺(tái)來研究拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本動(dòng)力學(xué)：

• 拓?fù)浔Ｗo(hù)與守恒：實(shí)驗(yàn)證實(shí)了渦旋結(jié)的穩(wěn)定性以及在融合裂變過程中拓?fù)洳蛔兞康氖睾阈裕@類似于粒子物理學(xué)中重子數(shù)的守恒，為拓?fù)鋱稣撝械墓伦犹峁┝撕暧^的實(shí)驗(yàn)類比。
• 重聯(lián)動(dòng)力學(xué)：該系統(tǒng)允許研究渦旋線重聯(lián)的細(xì)節(jié)和不同的動(dòng)理學(xué)路徑。傳統(tǒng)的流體力學(xué)難以在微米尺度上精確定位和觸發(fā)重聯(lián)，而NLC為研究這一基本過程提供了理想的“實(shí)驗(yàn)室”。

3.2 潛在的技術(shù)應(yīng)用

對渦旋結(jié)的動(dòng)態(tài)和可逆控制，為新一代的電光器件和光子學(xué)應(yīng)用開啟了新的可能：

• 拓?fù)涔饪刂疲哼@些渦旋結(jié)作為穩(wěn)定的、可尋址的微米級粒子，可以通過電場精確控制其位置和拓?fù)湫螒B(tài)。它們的結(jié)構(gòu)對光具有強(qiáng)烈的散射或偏振效應(yīng)。融合與裂變過程可以被用作超快開關(guān)或可重構(gòu)光子元件，用于控制光的路徑或偏振狀態(tài)。
• 拓?fù)鋽?shù)據(jù)存儲(chǔ)：不同拓?fù)湫螒B(tài)的結(jié)（如三葉結(jié)、五葉結(jié)、復(fù)合結(jié)等）可以被視為不同的離散狀態(tài)，或拓?fù)浔忍亍Ｍㄟ^電脈沖實(shí)現(xiàn)這些狀態(tài)之間的可逆切換，可能為開發(fā)具有極高穩(wěn)定性和密度的新型拓?fù)鋽?shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)提供思路。

結(jié)論

《Fusion and fission of particle-like chiral nematic vortex knots》不僅僅是一項(xiàng)關(guān)于液晶缺陷的研究，它更是物理學(xué)、數(shù)學(xué)和材料科學(xué)交叉領(lǐng)域的一個(gè)重大突破。它將拓?fù)鋵W(xué)從一個(gè)抽象的數(shù)學(xué)概念，轉(zhuǎn)化為一種可觀察、可操控的軟物質(zhì)形態(tài)。通過在手性向列液晶中實(shí)現(xiàn)渦旋結(jié)的可逆融合與裂變，這項(xiàng)工作不僅加深了我們對拓?fù)涫睾阍诤暧^系統(tǒng)中的理解，也為將拓?fù)湓響?yīng)用于下一代高性能光電和信息存儲(chǔ)技術(shù)指明了方向。