近日，北京大学北京国际数学研究中心/数学科学学院张磊课题组与南京大学现代工学院胡伟、陆延青课题组合作，在软物质拓扑多稳态研究领域取得重要突破。团队结合解景观理论与物理实验，提出了一种“双相关联序演化”新策略，成功突破了单相热力学演化的路径约束。不仅在实验上解锁了向列相液晶隐藏的拓扑多稳态，更展示了解景观方法在发现新材料结构、揭示复杂相变机理中的重要作用。相关论文“Unlocking Hidden Topological Multistability via Biphasic Correlated Order Evolutio”已发表于Physical Review Letters。

  拓扑多稳态对应着凝聚态物质内部序参量空间中一系列具有不同拓扑特征的局域能量极小值。理论上，复杂的凝聚态系统应当拥有极为丰富的拓扑多稳态，这些状态往往蕴含着新奇的物理性质。然而，在实际的热力学过程中，自然界往往“更偏爱”能量最低的全局极小态。以液晶为例，实验中液晶从各向同性的液态降温至向列相时，系统通常瞬间到达能量最低的稳态，导致大量理论上存在的向列相亚稳态在实际中难以获得。如何打破这一热力学路径限制，挖掘出隐藏在能量景观深处的丰富拓扑多稳态结构，是一个横跨数学与物理的难题。

  在实验初期，光取向表面锚定下的液晶样本冷却后总是呈现单一的O构型。但利用Landau-de Gennes理论计算发现，在这看似单一的稳态（O）之外，还隐藏着三种结构规整的拓扑多稳态（I、II、III）（图1）。从O态向I、II、III态转变要经历多个亚稳态状态（例如O→I1→I2→I3→I），以及克服较为显著的能量势垒，是体系能量增加的过程，这严重阻碍了拓扑多稳态的获得。

图1.(a) 预设的Dürer晶格取向及其 (b) 诱导生成的向错线阵列（状态O），(c)Landau-de Gennes能量景观上O到三种不同亚稳态I、II、III的转移路径

  为了解锁隐藏的拓扑多稳态，团队提出了一种新的双相关联序演化策略，利用跨相变点时序参量的内在关联实现多稳态。该策略的核心在于：在向列相中热力学受阻的转移路径在近晶相中则可成为热力学完全允许的过程。可以先在相邻近晶相中实现构型转变，再借助相变时指向矢的继承性实现向列相构型的多稳态。团队将向列相O态样品冷却至近晶A相得到O’构型，再通过对O’构型施加不同机械应力得到中的I’, II’, III’构型，然后再将它们加热至向列相，成功获得了I、II、III态向列相构型（图2）。

图2. 实验中不同应力作用下获得的近晶A相和加热后得到的对应向列相构型

  通过引入改进的Landau-de Gennes理论，团队模拟了向列相与近晶A相构型。计算表明，由于序参量在相变过程中的继承性以及SmA相特有的层结构弹性，能量景观发生了剧烈的拓扑重构（图3）：

      1. 能级反转：在向列相中需要“爬坡”的高势垒路径，在近晶相的弹性能作用下变成了能量下降的“顺坡”路径。  

      2. 缺陷演化： 精确重现了向错线如何转化为层错，并揭示了通过机械应力消除螺旋位错、诱导层曲率反转的动力学过程。 

图3. 计算模拟的向列相构型与近晶A相构型的拓扑缺陷特征、指向矢场、层结构分布和结构演变以及自由能级序列比较

  本研究创新性地提出了双相关联序演化策略，成功破解了单相热力学演化的路径限制。利用解景观理论和高效算法，不仅预测了多稳态的存在，更定量刻画了相变前后的能级序列与演化路径，为理解软物质复杂相变提供了严谨的几何图景。

  南京大学现代工学院胡伟教授和北京国际数学研究中心/数学科学学院张磊教授为本文共同通讯作者。南京大学现代工学院博士生吴金兵、郭政昊、北京大学数学科学学院博士生石宝明为论文共同一作。南京大学现代工学院博士生罗道兴对本文有重要贡献，南京大学陆延青教授对本研究给予了关键指导。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

  文章链接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/zyy7-cm33