Исследование раскрывает спонтанную тороидальную полярную топологию в гелиэлектрическом нематическом состоянии.

Магнитные и электрические диполи, объекты с двумя противоположно заряженными концами, имеют схожую симметричную структуру. Таким образом, можно предположить, что они обладают схожими внутренними структурами и физическими состояниями.

Исследователи из Южно-Китайского технологического университета в Китае недавно показали, что это не всегда так, исследуя топологию возникающего сегнетоэлектрического состояния жидкого вещества с поляризованными спиралями, известного как «гелиэлектрическое нематическое состояние». Их выводы, опубликованные в Физика природыпоказывают, что это состояние имеет спонтанную тороидальную полярную топологию, возникающую за счет флексоэлектрического эффекта, который способствует определенной форме деформации расширения поляризаций.

Хотя гипотеза о сегнетоэлектричестве в нематической фазе выдвигалась на протяжении десятилетий, она была экспериментально продемонстрирована только в 2020 году исследовательской группой из Университета Колорадо в Боулдере. Эта команда успешно наблюдала эту неуловимую жидкокристаллическую фазу в RM734, химическом соединении, синтезированном исследовательской группой из Университета Лидса в 2017 году.

«В 2019 году в сотрудничестве с химиком профессором Хуангом наша группа начала разрабатывать высокополярные и текучие жидкокристаллические материалы и понимать их взаимосвязь между структурой и свойствами, которую еще нужно было установить на фундаментальном уровне», — Сатоши Ая, автор исследования. текущий документ в Физика природыОб этом сообщил Phys.org. «Мы опирались на новаторские работы Мандла и Гудби (молекула RM734) и японской группы из Университета Кюсю под руководством профессора Кикучи (молекула DIO). Примечательно, что и RM734, и DIO были обнаружены в 2017 году, почти в одно и то же время».

До недавнего времени Айя и его коллеги составляли молекулярную библиотеку, содержащую различные сегнетоэлектрические нематики и новые полярные жидкокристаллические материалы. Анализируя материалы этой библиотеки, которая сейчас насчитывает около 300–400 материалов, они смогли идентифицировать полярные фазы и неожиданные фазовые переходы, которые приводят к образованию ранее неизвестных полярных топологических структур.

«В качестве частного случая мы обнаружили, что некоторые сегнетоэлектрические нематические материалы с относительно низкой анизотропией формы, но высокой полярностью могут напрямую переходить из изотропной жидкости в сегнетоэлектрическую нематическую фазу в 2020 году», — объяснил Ая. «Это позволило нам спонтанно генерировать сегнетоэлектрические нематические капли, плавающие в фоновой изотропной жидкости. Пространственное ограничение приводит к нескольким уникальным полярным топологическим текстурам, некоторые из которых известны как полярные мероны, образование которых в основном обусловлено полярными взаимодействиями в сегнетоэлектрических жидкостях. «

Фаза, ранее открытая Аей, обусловлена ​​обычной эластичностью Франка, а также эффектом флексоэлектричества и поля деполяризации. Это интересное открытие вдохновило их на дальнейшее изучение конкуренции между полярными взаимодействиями и упругостью жидкого кристалла в фазе.

«В нашем недавнем исследовании мы изначально стремились понять, как хиральность будет сочетаться с эффектом флексоэлектричества и поля деполяризации», — сказал Айя. «Поэтому мы ввели хиральные добавки в сегнетоэлектрическую нематическую молекулу, использованную в одной из наших предыдущих статей, опубликованных в Природные коммуникации. Конечно, вначале мы не ожидали, что появится такая прекрасная, беспрецедентная текстура».

В своем недавнем исследовании Айя и его коллеги использовали два основных экспериментальных метода. Во-первых, они использовали интерферометрическую микроскопию генерации второй гармоники, используя нелинейный оптический отклик, который возникает в системах, где инверсионная симметрия нарушена.

Этот первый метод позволил им визуализировать полярное ориентационное поле в образце. Впоследствии исследователи использовали метод поляризационной флуоресцентной микроскопии, чтобы перепроверить ориентационное поле, полученное с помощью интерферометрической микроскопии с генерацией второй гармоники.

«Интерферометрическая микроскопия и поляризованная флуоресцентная микроскопия являются взаимодополняющими методами», — объяснил Ая. «В то время как первый исследует неэквивалентное (полярное) ориентационное поле «голова-хвост», второй фиксирует эквивалентное (неполярное) ориентационное поле «голова-хвост».

В целом Ая и его сотрудники собрали очень интересные наблюдения. Во-первых, они показали, что в отличие от сегнетоэлектриков на основе кристаллов, в которых доминируют только одно или два сильных полярных взаимодействия и конкурируют с деформацией решетки, сегнетоэлектрические жидкости уравновешивают взаимодействия с гораздо большей свободой.

«Этот хрупкий баланс может привести к тому, что топологические детали будут определяться множеством влиятельных лиц», — сказал Ая. «Например, говоря простыми словами, суммируя текущий случай, конкуренция между киральностью и удержанием определяет, является ли предпочтение плоскому и раскрученному полю; флексоэлектричество определяет, где должны быть созданы доменные границы; и, наконец, поле деполяризации диктует, какой тип полярно-ориентационного поля поле должно создаваться вокруг доменных стенок».

Физический процесс, наблюдаемый Аей и его коллегами, состоит из нескольких стадий, на которых различные взаимодействия влияют на детали окончательной топологии материалов. Их результаты показывают, что комбинации полярных и жидкокристаллических взаимодействий различной величины могут привести к появлению разнообразного спектра незнакомых полярных топологий. Опираясь на это понимание, исследователи вскоре смогут приступить к наблюдению новых полярных топологий, создавая молекулы с различными формами и полярными свойствами.

«Вторым ключевым выводом наших результатов является то, что поле деполяризации является жизненно важным фактором, влияющим на динамику электрического поля в ограниченных сегнетоэлектрических жидкостях», — сказал Айя. «Это сообщение очень важно. Представьте себе, что теперь у вас есть равномерное выравнивание полярного ориентационного поля в определенном направлении в свободном пространстве. Если приложить электрическое поле постоянного тока, антипараллельное поляризации, легко ожидать, что поле поляризации переориентируется. направлению поля, как подтвердила группа Калифорнийского университета в Боулдере по сегнетоэлектрическим нематикам в 2020 году.

«Мы обнаружили, что этот сценарий не справедлив для ограниченных нематиков. Похожая работа, но с немного другим процессом, также была опубликована за год до нашей публикации».

Айя и его сотрудники обнаружили, что топологическая структура, наблюдаемая группой из Калифорнийского университета в Боулдере, не применима к замкнутым нематикам, где нетривиальные поля деполяризации могут развиваться через сложные поля пространственной полярной ориентации. В наблюдаемой ими фазе источником полей деполяризации выступают как пространственный заряд из-за деформации поля ориентации, так и межрасовый заряд, созданный на границах раздела или вблизи ориентационных сингулярностей.

«С одной стороны, нужно осознавать этот вопрос, когда проводят эксперименты с сегнетоэлектрическими жидкостями, особенно когда они хотят судить, в каком направлении ориентируется поляризация, используя электрическое поле (как это сделала группа Боулдера)», — сказал Айя. «С другой стороны, с наивной точки зрения я предполагаю, что нетривиальное поле деполяризации также можно рассматривать как инструмент для создания сложных паттернов поляризации (то есть топологической инженерии или топологического переключения), что было бы невозможно при использовании сложных электродов».

Эта недавняя работа Аи и его сотрудников вскоре может проложить путь для дальнейших исследований по изучению тороидальной полярной топологии, управляемой полярным взаимодействием, которую они обнаружили. Кроме того, это может открыть новые возможности для разработки переключаемых оптоэлектронных устройств сегнетоэлектрик-жидкая материя.

«Конечно, нелегко пролить свет на механизм формирования уникальных топологий только с экспериментальной стороны», — сказал Ая. «В этой перспективе, наряду с разработкой новых молекул с различными балансами взаимодействий, упомянутых выше, мы будем и работаем над разработкой теоретической основы для полярных нематических жидкостей и исследованием новых полярных топологий путем корректировки баланса между полярными и жидкокристаллическими взаимодействиями. , проектирование полярных топологических сетей для топологических сегнетоэлектриков также очень сложная задача».

В некоторых из своих предыдущих исследований исследователи показали, что сложное полярное ориентационное поле является выгодной особенностью для реализации систем, демонстрирующих нелинейное оптическое усиление, известное как фазовый синхронизм. В рамках своих будущих исследований они хотели бы использовать полученные результаты, чтобы облегчить потенциальное развитие этих систем.

«Известно, что разработка поляризации в сегнетоэлектриках на основе кристаллов очень сложна», — добавил Ая. «Таким образом, одной из наших последующих целей станет разработка ранее невозможной технологии поляризации в полярных жидкостях и, следовательно, обеспечение возможности изготовления высокоэффективных нелинейных оптических устройств».

© 2024 Сеть Science X