Wetenschap
Studie onthult een spontane toroïdale polaire topologie in de heli-elektrische nematische toestand
Magnetische en elektrische dipolen, objecten met twee tegengesteld geladen uiteinden, hebben een vergelijkbare symmetrische structuur. Je zou dus kunnen aannemen dat ze vergelijkbare interne structuren en fysieke toestanden vertonen.
Onderzoekers van de South China University of Technology in China hebben onlangs aangetoond dat dit niet altijd het geval is, door de topologie te onderzoeken van een opkomende ferro-elektrische toestand van vloeibare materie met gepolariseerde helices, bekend als de 'helielektrische nematische toestand'. Hun bevindingen, gepubliceerd in Nature Physics laten zien dat deze toestand een spontane torusvormige polaire topologie heeft, gegenereerd door een flexo-elektrisch effect dat een specifieke vorm van gespreide vervorming van polarisaties bevordert.
Hoewel ferro-elektriciteit in de nematische fase al tientallen jaren werd verondersteld, werd dit pas in 2020 experimenteel aangetoond door een onderzoeksgroep van de Universiteit van Colorado Boulder. Dit team heeft met succes deze ongrijpbare vloeibare kristalfase waargenomen in RM734, een chemische verbinding die in 2017 door een onderzoeksgroep aan de Universiteit van Leeds is gesynthetiseerd.
"In samenwerking met een scheikundige, prof. Huang, begon onze groep in 2019 met het ontwerpen van zeer polaire en vloeibare vloeibare kristalmaterialen en het begrijpen van hun structuur-eigenschapsrelaties, die nog steeds op fundamentele niveaus moesten worden vastgesteld", zegt Satoshi Aya, de corresponderende auteur van het huidige artikel in Natuurfysica , vertelde Phys.org. "We bouwden voort op het baanbrekende werk van Mandle en Goodby (RM734-molecuul) en een Japanse groep aan de Kyushu Universiteit onder leiding van prof. Kikuchi (DIO-molecuul). Opvallend is dat zowel RM734 als DIO in 2017 bijna tegelijkertijd werden gevonden."
Tot voor kort hebben Aya en zijn medewerkers een moleculaire bibliotheek samengesteld die verschillende ferro-elektrische nematische en nieuwe polaire vloeibaar-kristalmaterialen bevat. Door materialen in deze bibliotheek, die nu ongeveer 300 tot 400 materialen bevat, te analyseren, konden ze polaire fasen en onverwachte faseovergangen identificeren die leiden tot de vorming van voorheen onbekende polaire topologische structuren.
"In een specifiek geval hebben we enkele ferro-elektrische nematische materialen gevonden met een relatief lage vormanisotropie, maar een hoge polariteit kan in 2020 rechtstreeks van de isotrope vloeistof naar de ferro-elektrische nematische fase gaan", legt Aya uit. "Hierdoor konden we spontaan ferro-elektrische nematische druppeltjes genereren die in de isotrope vloeistofachtergrond drijven. De ruimtelijke opsluiting leidt tot verschillende unieke polaire topologische texturen, waarvan sommige bekend staan als polaire meronen, waarvan werd toegeschreven dat de vorming voornamelijk werd aangedreven door polaire interacties in de ferro-elektrische vloeistoffen. "
De fase die eerder door Aya werd ontdekt, wordt aangedreven door een conventionele Frank-elasticiteit, evenals door flexo-elektriciteit en depolarisatieveldeffect. Deze interessante ontdekking inspireerde hen om de concurrentie tussen polaire interacties en de elasticiteit van vloeibare kristallen in de fase verder te onderzoeken.
"In onze recente studie wilden we aanvankelijk begrijpen hoe chiraliteit gepaard zou gaan met het flexo-elektriciteits- en depolarisatieveldeffect," zei Aya. "Daarom hebben we chirale doteermiddelen gedoteerd in het ferro-elektrische nematische molecuul dat wordt gebruikt in een van onze eerdere artikelen gepubliceerd in Nature Communications . Natuurlijk hadden we in het begin niet verwacht dat er zo’n mooie, ongekende textuur zou verschijnen."
In hun recente onderzoek gebruikten Aya en zijn collega's twee primaire experimentele technieken. Ten eerste gebruikten ze interferometrische microscopie van de tweede harmonische generatie, waarbij gebruik werd gemaakt van een niet-lineaire optische respons die naar voren komt in systemen waar de inversiesymmetrie wordt verbroken.
Met deze eerste methode konden ze het polaire oriëntatieveld in hun monster visualiseren. Vervolgens gebruikten de onderzoekers een techniek genaamd gepolariseerde fluorescentiemicroscopie om het oriëntatieveld te controleren dat werd verkregen door interferometrische microscopie van de tweede harmonische generatie.
"Interferometrische microscopie en gepolariseerde fluorescentiemicroscopie zijn complementaire methoden", legt Aya uit. "Terwijl de eerstgenoemde het kop-tot-staart ongelijke (polaire) oriëntatieveld onderzoekt, vangt de laatste het kop-tot-staart equivalente (niet-polaire) oriëntatieveld op."
Over het geheel genomen verzamelden Aya en zijn medewerkers zeer interessante observaties. Ten eerste toonden ze aan dat, in tegenstelling tot op kristallen gebaseerde ferro-elektrische materialen, waarin slechts één of twee sterke polaire interacties domineren en concurreren met de roosterspanning, ferro-elektrische vloeistoffen interacties met veel grotere vrijheid in evenwicht brengen.
"Dit delicate evenwicht kan ertoe leiden dat meerdere beïnvloeders de topologische details bepalen", zei Aya. "In eenvoudige bewoordingen wordt het huidige geval bijvoorbeeld samengevat:de concurrentie tussen chiraliteit en opsluiting beoordeelt of een in-plane en niet-getwist veld de voorkeur verdient; flexo-elektriciteit bepaalt waar domeinmuren moeten worden gegenereerd; en ten slotte dicteert het depolarisatieveld welk type polaire oriëntatie veld moet rond de domeinmuren worden gegenereerd."
Het fysieke proces dat door Aya en zijn collega's wordt waargenomen, kent verschillende fasen, waarin verschillende interacties bijdragen aan de details van de uiteindelijke topologie van de materialen. Hun bevindingen suggereren dat combinaties van polaire en vloeibare kristalinteracties met verschillende magnitudes zouden kunnen leiden tot een breed scala aan onbekende polaire topologieën. Voortbouwend op dit inzicht zouden onderzoekers binnenkort nieuwe polaire topologieën kunnen gaan observeren, door moleculen met verschillende vormen en polaire eigenschappen te ontwerpen.
"De tweede belangrijke implicatie van onze bevindingen is dat het depolarisatieveld een vitale factor is die de door elektrische velden aangedreven dynamiek in opgesloten ferro-elektrische vloeistoffen beïnvloedt," zei Aya. "Deze boodschap is erg belangrijk. Stel je voor dat je nu een uniforme uitlijning van het polaire oriëntatieveld in een bepaalde richting in de vrije ruimte hebt. Als je een gelijkstroom-elektrisch veld antiparallel aan de polarisatie aanbrengt, kun je gemakkelijk verwachten dat het polarisatieveld zich zal heroriënteren in de veldrichting, zoals geverifieerd door de UC Boulder-groep op het gebied van ferro-elektrische nematica in 2020.
"We ontdekten dat dit scenario niet opgaat voor de beperkte nematica. Een soortgelijk werk, maar met een iets ander proces, werd ook een jaar vóór onze publicatie gepubliceerd."
Aya en zijn medewerkers ontdekten dat de topologische structuur die door de groep van UC Boulder werd waargenomen, niet van toepassing is op beperkte nematica, waar niet-triviale depolarisatievelden zich kunnen ontwikkelen via complexe ruimtelijke polaire oriëntatievelden. In de fase die ze observeerden, fungeren zowel de ruimtelading als gevolg van de spreidingsvervorming van het oriëntatieveld als de interraciale lading gecreëerd op grensvlakken of nabij oriëntatie-singulariteiten als de bron van de depolarisatievelden.
"Aan de ene kant moet je je dit realiseren als ze experimenten doen met ferro-elektrische vloeistoffen, vooral als ze willen beoordelen in welke richting de polarisatie zich richt door gebruik te maken van een elektrisch veld (zoals de Boulder-groep deed)", zei Aya. "Aan de andere kant, vanuit een naïef perspectief, denk ik dat het niet-triviale depolarisatieveld ook kan worden beschouwd als een hulpmiddel voor het genereren van complexe polarisatiepatronen (dus topologische engineering of topologisch schakelen) die onmogelijk zouden zijn door gebruik te maken van complexe elektroden."
Dit recente werk van Aya en zijn medewerkers zou binnenkort de weg kunnen vrijmaken voor verder onderzoek naar de door polaire interactie aangestuurde toroïdale polaire topologie die ze hebben blootgelegd. Bovendien zou het nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor de ontwikkeling van schakelbare opto-elektronische apparaten met ferroelektrische en vloeibare materie.
"Het is natuurlijk niet eenvoudig om alleen vanuit de experimentele kant licht te werpen op het mechanisme dat achter het vormen van unieke topologieën werkt," zei Aya. "In dit perspectief zullen we, samen met het ontwikkelen van nieuwe moleculen met verschillende hierboven genoemde interactiebalansen, werken aan het ontwikkelen van een theoretische achtergrond voor polaire nematische vloeistoffen en het onderzoeken van nieuwe polaire topologieën door de balans tussen polaire en vloeibare kristalinteracties aan te passen." , het ontwerpen van polaire topologische netwerken met het oog op topologische ferro-elektriciteit is ook een grote uitdaging."
In sommige van hun eerdere onderzoeken toonden de onderzoekers aan dat een complex polair oriëntatieveld een voordelig kenmerk is voor de realisatie van systemen die een niet-lineaire optische versterking vertonen die bekend staat als fase-matching. Als onderdeel van hun toekomstige onderzoek willen ze graag voortbouwen op hun bevindingen om de potentiële ontwikkeling van deze systemen te vergemakkelijken.
"Het is bekend dat polarisatie-engineering in op kristallen gebaseerde ferro-elektriciteit erg moeilijk is", voegde Aya eraan toe. "Dus het ontwikkelen van voorheen onmogelijke polarisatietechniek in polaire vloeistoffen en daarmee het mogelijk maken van de fabricage van zeer efficiënte niet-lineaire optische apparaten zal een van onze vervolgdoelen zijn."