Een nieuw onderzoek in Natuurcommunicatie onderzoekt de elektrische afstemming van vertakte lichtstromen in nematische vloeibaar-kristalfilms (NLC), waarbij gecontroleerde patronen en statistische kenmerken worden onthuld met potentiële toepassingen in de optica en fotonica.

Een vertakte lichtstroom manifesteert zich als ingewikkelde patronen in lichtgolven die door een wanordelijk medium navigeren en meerdere vertakkende paden vormen.

Gepositioneerd tussen ballistische en diffuse transportfenomenen – waarbij ballistisch ongehinderde beweging in een rechte lijn impliceert, vergelijkbaar met een laserstraal, en diffuus verspreid, chaotisch gedrag impliceert – wint het fenomeen aan betekenis vanwege zijn potentieel bij het beheersen van fysieke processen, met name optica en fotonica. P>

Het fungeert als een overgangstoestand tussen geordende en ongeordende lichtvoortplanting en biedt een platform voor gecontroleerde en ingewikkelde lichtsturing.

Deze manipulatie wordt een centraal punt in een onderzoek uitgevoerd door Dr. Jin-hui Chen van de Universiteit van Xiamen in China en Dr. Jian-Hua Jiang van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China, waar ze specifiek de elektrische afstemming van vertakte lichtstromen onderzoeken. binnen NLC-films.

"Vanwege hun grillige aard en rijke gedrag is manipulatie van vertakte stromen op een controleerbare manier nooit gerealiseerd in experimenten. We vinden dat ongeordende vloeibaar-kristalfilms met elektro-optisch effect een uitstekend platform bieden voor het genereren en reguleren van vertakte stroom van licht," vertelde Dr. Chen aan Phys.org.

"Tijdens mijn bezoek aan Prof. Chen aan de Universiteit van Xiamen deed hij onderzoek naar de vertakte lichtstroom in vloeibare kristallen. Omdat ik het belang van topologische defecten in deze context inzag, begreep ik dat hun stabiliteit onder elektrische velden bijdraagt ​​aan de stabiliteit van het systeem, waardoor de herhaalbare aan- en uitschakeling van vertakte lichtstroom," voegde Dr. Jiang toe.

Topologische defecten in NLC's

Vloeibare kristallen vertonen kenmerken van zowel vloeibare als vaste toestanden. Hun moleculen kunnen stromen als een vloeistof, terwijl ze een zekere mate van orde behouden, vergelijkbaar met die van een vaste stof. Dit onderscheidende gedrag komt voort uit het delicate evenwicht tussen intermoleculaire krachten en thermische energie.

De onderzoekers richtten zich vooral op het gedrag van NLC. Nematische vloeibare kristallen worden gekenmerkt door de uitlijning van hun moleculen in een specifieke richting, waardoor een duidelijke orde binnen het materiaal ontstaat. Deze uitlijning is gevoelig voor externe factoren, zoals elektrische velden.

De elektrische afstemming van vertakte lichtstromen in NLC-films omvat het manipuleren van de oriëntatie van deze vloeibare kristalmoleculen. Wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, veroorzaakt dit een heroriëntatie van de moleculen, waardoor de eigenschappen van de NLC-film veranderen. Dit proces is cruciaal voor het genereren en reguleren van de ingewikkelde patronen van vertakte lichtstromen.

Topologische defecten in de NLC-film spelen een dubbele rol in het fenomeen.

Dr. Chen legde uit:"Ten eerste dragen ze bij aan de spontane vorming van gestructureerde patronen, zogenaamde schlieren-texturen, die het gevolg zijn van ongeordende oriëntaties van NLC-moleculen en ongelijke diëlektrische anisotropie. Dit fungeert als een zwak ongeordend potentieel voor de voortplanting van licht."

"Ten tweede vindt onder een kleine elektrische spanning de heroriëntatie van vloeibare kristalmoleculen plaats zonder de schlieren-texturen te verstoren. De robuustheid van topologische defecten, mogelijk vastgezet door oppervlaktekrachten op het grensvlak, zorgt voor een goede herstelbaarheid van de vertakte stroom gegenereerd door lichtgolven in de interface. systeem."

Het observeren van vertakte lichtstromen in NLC-films

De onderzoekers gebruikten een nauwgezette experimentele opstelling om de elektrische afstemming van vertakte lichtstroom in NLC-films te onderzoeken. Een zeer nauwkeurige driedimensionale vertaalfase maakte een nauwkeurige afstemming van de lichtkoppeling in de NLC-film mogelijk.

Dit omvatte het manipuleren van het gepolariseerde veld van een laser van 532 nm met een polarisator en een halfgolfplaat. Waarnemingen van de lichtstroom werden mogelijk gemaakt door een microscoop met een 10x objectieflens, en een optische camera verzamelde de intrinsieke lichtverstrooiing van de NLC-film.

Daarnaast gebruikten de onderzoekers simulaties om de oriëntaties van vloeibare kristallen te onderzoeken als reactie op het elektrische stuurveld.

Een van de meest verrassende bevindingen van de onderzoekers was de robuustheid van de topologische defecten die de schlieren-texturen in het vloeibare kristal vasthielden, en dus ook de lichtverstrooiingspatronen.

Dr. Jiang legde uit:"Zelfs met een opmerkelijke elektrische spanning die de oriëntatie van vloeibare kristalmoleculen sterk doet kantelen, worden na het uitschakelen van de elektrische spanning de topologische defecten hersteld, evenals de schlieren-texturen."

"Dit maakt de elektrische afstemming (aan en uit) van de verstrooiingspotentialen mogelijk, en de vertakte lichtstroom kan vele malen worden herhaald. Het is echt buiten verwachting. Het vertelt ons hoe stabiel de topologische defecten in vloeibare kristallen zijn."

Een opmerkelijke observatie was de variatie in de scintillatie-index, een cruciale statistische eigenschap van vertakte stroming, met veranderingen in de polarisatie van het ingangslicht, merkte Dr. Chen op. Deze polarisatieafhankelijkheid, voorheen onhaalbaar op andere platforms, voegde een extra laag van complexiteit en controle toe aan de vertakte lichtstroom die in de NLC-film werd gegenereerd.

Naast de topologische defecten en de relatie tussen de scintillatie-index en polarisatie, was een derde factor van belang:de correlatielengte van het verstoorde potentieel, een maatstaf voor hoe gestructureerd of geordend de wanorde in het materiaal is, in relatie tot de golflengte van licht voortplanten.

De correlatielengte van de verstoorde potentiaal moet groter zijn dan de golflengte van het zich voortplantende licht om een ​​vertakte stroming te kunnen veroorzaken. Een grotere correlatielengte impliceert een uitgebreider en coherenter patroon van wanorde.

"Vanwege de robuustheid van de topologische defecten zijn de schlierentexturen en het verstrooiingspotentieel behoorlijk coherent. Deze factoren maken alles controleerbaar en stellen ons in staat de prachtige afstemming van de vertakte lichtstroom aan te tonen", legt Dr. Jiang uit.

Optische neurale netwerken en sensoren

Dr. Chen legde mogelijke toepassingen en toekomstig werk uit en zei:"Vloeibare kristallen kunnen programmeerbare hiërarchische superstructuren creëren voor interacties tussen licht en materie, wat een hoge gevoeligheid voor externe velden laat zien."

"Toekomstig onderzoek van onze groep zal zich verdiepen in de interactie van licht met wanordelijke vloeibare kristalsystemen, waarbij transportconfiguraties in het vlak en daarbuiten worden onderzocht met potentiële toepassingen zoals optische neurale netwerken."

Vanuit technologisch perspectief wees Dr. Jiang erop dat dit fenomeen kan worden versterkt door het manipuleren van lichtstralen. "De elektrische afstemming is veelbelovend voor de werking van apparaten. Het kan bijvoorbeeld worden gebruikt als schakelaar voor sensoren of detectoren wanneer het is gekoppeld aan de vloeibare kristalfilm", concludeerde hij.

Meer informatie: Shan-shan Chang et al., Elektrische afstemming van vertakte lichtstromen, Natuurcommunicatie (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44500-8

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

© 2024 Science X Netwerk