导读
如果一只蝴蝶的振翅能够引发远方的风暴，那么——当一束光在涡旋中心轻微偏移，它的传播路径又会走向何种截然不同的轨迹？
近日，太阳成集团122ccvip陆延青教授、马玲玲特聘研究员团队联合南京邮电大学李炳祥教授、电子科技大学蒙翠玲教授开展合作，在液晶平面光子器件领域取得重要进展。研究团队首次提出“可编程混沌中心（programmable chaotic center）”的概念，在液晶拓扑涡旋中实现了混沌光散射的激发与可控调制。通过定制涡旋拓扑结构并调控光与中心的相互作用，在空间域中实现了对称光分支流（branched flow）的构建。该研究突破了混沌系统难以稳定与调控的瓶颈，将无序响应转化为受拓扑约束的结构化输出，展现了液晶软物质在复杂光场调控中的优势，并为柔性、可重构片上光子器件提供了新路径。
研究背景：从蝴蝶效应到“空间中的混沌”
“蝴蝶效应”是混沌科学最经典的图景之一，揭示了系统对初始条件的极端敏感性。20世纪60年代，气象学家Edward N. Lorenz在研究大气模型时发现，输入参数的微小变化即可导致系统轨迹的显著偏离，并形成著名的“洛伦兹吸引子”。这一发现奠定了混沌理论的基础，并推动相关研究从气象学拓展至力学、电子学以及光学等多个领域。在光学系统中，混沌行为通常表现为时间域中的复杂演化，如非线性腔体中的不稳定激射和光纤中的混沌脉冲等。
除时间维度外，光学系统同样可以在空间中呈现混沌特性。当介质折射率存在空间扰动时，光线传播路径会发生不可预测的偏折，形成典型的“光分支流”现象，表现为多条自组织形成的高强度通道结构。然而，由于系统复杂性高、对初始条件极度敏感，这类空间混沌现象长期面临难以稳定复现、缺乏有效调控手段的挑战。因此，如何在空间中构建一个可精确调控的“混沌源”，成为该领域亟待解决的关键科学问题。
研究方法与亮点
液晶拓扑涡旋：构建“可编程混沌中心”
针对上述挑战，该研究引入拓扑涡旋结构，在液晶体系中构建出可设计的“混沌中心”。在该结构中，液晶分子的指向矢场（即光轴）围绕涡旋中心呈周期性旋转，并在中心区域发生快速压缩与剧烈扭曲（如图1 A, B所示）。这种强烈的空间畸变，使得光在传播过程中对微小扰动高度敏感，从而产生典型的混沌响应。在实验上，研究团队利用光控取向技术实现了涡旋拓扑结构的定制化构建，并结合平面光耦合平台，系统探究了光束与涡旋中心的直接相互作用。基于此，主要研究亮点如下：
图1：拓扑涡旋中心的混沌特性及光-涡旋中心相互作用
亮点一、旋转对称性调控光轨迹，诱导光学焦散形成
液晶拓扑涡旋的结构由拓扑荷S与角度常数C共同决定。其中C控制指向矢场的旋转对称性。研究表明，当高斯光束穿过涡旋中心时，在强烈光轴扭曲作用下发生散射与分裂（如图2所示）。随着对称性的变化，光传播行为呈现由“对称分离”向“逐渐汇聚”的连续演化，并在中心区域形成清晰的光学焦散结构。该焦散对应光线在空间中的奇点汇聚，是光分支流形成的临界前驱。进一步结合三维荧光共聚焦成像与理论分析，研究揭示了涡旋中心三维缺陷结构对光传播方向的关键调制作用。
图2：拓扑涡旋的旋转对称性及其对光焦散产生的调控
亮点二、高拓扑荷激发对称光分支流，实现“从1到N”的光分裂
拓扑荷S决定指向矢场的旋转强度，是调控混沌散射的重要参数。随着S的增大，中心区域的空间畸变显著增强，入射光在穿越涡旋后发生剧烈散射，并演化为多个稳定分支，实现由单束光到多分支的结构化输出。分支数量与拓扑荷呈直接对应关系，其传播方向则受周期性指向矢场引导，在空间中形成高度对称分布。实验与模拟表明，分支结构由“场拓扑”主导，是可编程的确定性结果。
图3：高拓扑荷下的对称分支传输效应
亮点三、外场驱动缺陷三维演化，实现光路动态重构
利用液晶对外电场的高响应特性，研究进一步实现了对涡旋中心三维缺陷结构的主动调控。实验发现，缺陷结构在外场作用下发生三维形变与重排，并直接影响光的传播路径。通过平面耦合与显微成像的联合观测，研究实现了光轨迹与缺陷演化的同步解析。结果表明，光束传播会随缺陷结构变化动态调整，并在秒级时间尺度内达到新的稳态。这一过程表明，拓扑缺陷在光场调控中起到关键“中介”作用，为可重构光路与动态光子器件提供了新的实现机制。
图4：电场操控缺陷线三维形变及可重构分支传输效应
亮点四、从分支传输到混沌响应——揭示“蝴蝶效应”的空间光学映射
在结构调控基础上，研究进一步揭示光分支行为的混沌本质。通过几何光学模型，将有限宽度光束分解为大量独立光线进行追迹分析。结果表明，在入射方向不变的条件下，仅对入射位置进行微小扰动，光线传播路径即发生显著改变，体现出对初始条件的极端敏感性。进一步统计光线衍射角度的空间分布，发现其在横向坐标中呈现出类似“蝴蝶形”的结构，与经典洛伦兹吸引子具有相似特征。这表明，光分支结构本质上是混沌光线轨迹在空间中的自组织投影，实现了从时间域混沌到空间结构的映射，揭示了分支传输效应的内在动力学机制。
图5：光分支传输的混沌响应特性
总结与展望
该研究首次在实验中构建了“可编程混沌中心”，并揭示光在拓扑涡旋中的传播如何由无序散射演化为对称分支结构。通过融合混沌动力学与拓扑约束，实现了光传播路径的可设计与可调控。在物理层面，该工作建立了拓扑结构、混沌动力学与光学传播之间的联系，将“蝴蝶效应”由时间域拓展至空间域，为理解复杂系统中“微扰放大”与“结构涌现”的统一机制提供了新的实验图景。
在应用层面，该体系展示了液晶平台在复杂光场模拟与动态调控中的潜力，有望推动低能耗、可重构片上光子器件的发展，并为光信息处理与类复杂系统计算提供新思路。总体而言，该工作揭示了一个重要物理图景：混沌之中，蕴含秩序之美。
相关成果以“Programing Chaotic Centers for Shaping Light Branching in Topological Nematic Vortices”为题，发表于Science Advances。太阳成集团122ccvip博士生喻箫，电子科技大学徐荣幸老师为本文的共同第一作者。马玲玲、蒙翠玲、李炳祥、和陆延青为本文的通讯作者。太阳成集团122ccvip铁祚庥，王泽宇对本工作给予了重要帮助。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助，同时得到了固体微结构物理国家重点实验室等平台的大力支持。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec5012
