Fra uorden til design:Udforskning af elektrisk tuning af forgrenet flow i flydende krystalfilm

En ny undersøgelse i Nature Communications undersøger den elektriske tuning af forgrenet lysstrøm i nematiske flydende krystal (NLC) film, afslører kontrollerede mønstre og statistiske karakteristika med potentielle anvendelser inden for optik og fotonik.

Forgrenet lysstrøm manifesterer sig som indviklede mønstre i lysbølger, der navigerer gennem et uordnet medium og danner flere forgrenede veje.

Placeret mellem ballistiske og diffusive transportfænomener – hvor ballistisk indebærer uhindret retlinet bevægelse beslægtet med en laserstråle, og diffusiv involverer spredt, kaotisk adfærd – får fænomenet betydning for sit potentiale i at kontrollere fysiske processer, især optik og fotonik.

Den fungerer som en overgangstilstand mellem ordnet og uordnet lysudbredelse og giver en platform for kontrolleret og indviklet lysstyring.

Denne manipulation bliver et omdrejningspunkt i en undersøgelse udført af Dr. Jin-hui Chen fra Xiamen University i Kina og Dr. Jian-Hua Jiang fra University of Science and Technology i Kina, hvor de specifikt udforsker den elektriske tuning af forgrenet lysstrøm inden for NLC-film.

"På grund af deres uberegnelige natur og rige adfærd er manipulation af forgrenede strømme på en kontrollerbar måde aldrig blevet realiseret i eksperimenter. Vi finder ud af, at uordnede flydende krystalfilm med elektro-optisk effekt giver en fremragende platform for generering og regulering af forgrenet strømning af lys," sagde Dr. Chen til Phys.org.

"Under mit besøg hos prof. Chen ved Xiamen University forskede han i den forgrenede strøm af lys i flydende krystaller. Idet jeg erkendte betydningen af ​​topologiske defekter i denne sammenhæng, forstod jeg, at deres stabilitet under elektriske felter bidrager til systemstabilitet, hvilket tillader den gentagelige tænd- og sluk-skift af forgrenet lysstrøm," tilføjede Dr. Jiang.

Topologiske defekter i NLC'er

Flydende krystaller viser karakteristika for både flydende og faste tilstande. Deres molekyler kan flyde som en væske, mens de opretholder en vis grad af orden svarende til et fast stof. Denne karakteristiske adfærd opstår fra den delikate balance mellem intermolekylære kræfter og termisk energi.

Forskerne fokuserede især på NLC's adfærd. Nematiske flydende krystaller er kendetegnet ved justeringen af ​​deres molekyler i en bestemt retning, hvilket skaber en særskilt rækkefølge i materialet. Denne justering er følsom over for eksterne faktorer, såsom elektriske felter.

Den elektriske afstemning af forgrenet lysstrøm i NLC-film involverer manipulation af orienteringen af ​​disse flydende krystalmolekyler. Når et elektrisk felt påføres, inducerer det en reorientering af molekylerne, hvilket ændrer egenskaberne af NLC-filmen. Denne proces er afgørende for at generere og regulere de indviklede mønstre af forgrenet lysstrøm.

Topologiske defekter i NLC-filmen spiller en dobbelt rolle i fænomenet.

Dr. Chen forklarede:"For det første bidrager de til den spontane dannelse af strukturerede mønstre kaldet schlieren-teksturer, som er et resultat af uordnede orienteringer af NLC-molekyler og ujævn dielektrisk anisotropi. Dette virker som et svagt uordnet potentiale til at sprede lys."

"For det andet, under en lille elektrisk spænding, sker reorienteringen af ​​flydende krystalmolekyler uden at forstyrre schlieren-teksturerne. Robustheden af ​​topologiske defekter, muligvis fastgjort af overfladekræfter ved grænsefladen, sikrer god genvindelighed af den forgrenede strøm genereret af lysbølger i system."

Observation af forgrenet lysflow i NLC-film

Forskerne brugte en omhyggelig eksperimentel opsætning til at undersøge den elektriske tuning af forgrenet lysstrøm i NLC-film. Et tredimensionelt oversættelsestrin med høj præcision muliggjorde præcis justering af lyskoblingen til NLC-filmen.

Dette involverede manipulation af en 532 nm lasers polariserede felt med en polarisator og en halvbølgeplade. Observationer af lysstrømmen blev lettet af et mikroskop med en 10x objektivlinse, og et optisk kamera opsamlede iboende lysspredning fra NLC-filmen.

Derudover brugte forskerne simuleringer til at udforske flydende krystal-orienteringer som reaktion på det elektriske gating-felt (kontrol).

Et af de mest overraskende fund af forskerne var robustheden af ​​de topologiske defekter, der fastgjorde schlieren-teksturerne i det flydende krystal og derfor lysspredningsmønstrene.

Dr. Jiang forklarede:"Selv med en bemærkelsesværdig elektrisk spænding, der hælder orienteringen af ​​flydende krystalmolekyler meget, efter at den elektriske spænding er slukket, gendannes de topologiske defekter, og det samme er schlieren-teksturerne."

"Dette muliggør den elektriske tuning (tænd og sluk) af spredningspotentialerne, og den forgrenede strøm af lys kan gentages mange gange. Det er virkelig ude af forventning. Det fortæller os, hvor stabile de topologiske defekter i flydende krystaller er."

En bemærkelsesværdig observation var variationen i scintillationsindekset, en afgørende statistisk egenskab ved forgrenet strømning, med ændringer i inputlyspolarisering, bemærkede Dr. Chen. Denne polarisationsafhængighed, som tidligere var uopnåelig på andre platforme, tilføjede et ekstra lag af kompleksitet og kontrol til den forgrenede lysstrøm genereret i NLC-filmen.

Ud over de topologiske defekter og forholdet mellem scintillationsindekset og polariseringen, var en tredje faktor vigtig:korrelationslængden af ​​det uordnede potentiale, et mål for, hvor struktureret eller ordnet lidelsen er i materialet, i forhold til bølgelængden af udbredende lys.

Korrelationslængden af ​​det uordnede potentiale skal være større end bølgelængden af ​​det udbredende lys for at fremkomsten af ​​forgrenet strømning. En større korrelationslængde indebærer et mere udvidet og sammenhængende lidelsesmønster.

"På grund af de topologiske defekters robusthed er schlieren-teksturerne og spredningspotentialet ret kohærente. Disse faktorer gør alt kontrollerbart og gør os i stand til at demonstrere den smukke afstemning af den forgrenede strøm af lys," forklarede Dr. Jiang.

Optiske neurale netværk og sensorer

Dr. Chen forklarede potentielle anvendelser og fremtidigt arbejde:"Flydende krystaller kan skabe programmerbare hierarkiske overbygninger til lys-stof-interaktioner, som viser høj følsomhed over for eksterne felter."

"Fremtidig forskning fra vores gruppe vil dykke ned i lysets interaktion med uordnede flydende krystalsystemer, udforske transportkonfigurationer i planet og uden for planet med potentielle applikationer som optiske neurale netværk."

Fra et teknologisk perspektiv påpegede Dr. Jiang, at dette fænomen kunne forbedres til at manipulere lysstråler. "Den elektriske tuning er ret lovende for enhedsoperationer. For eksempel kan den bruges som en switch for sensorer eller detektorer, når den er forbundet med flydende krystalfilm," konkluderede han.

Flere oplysninger: Shan-shan Chang et al., Elektrisk tuning af forgrenet lysstrøm, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44500-8

Journaloplysninger: Nature Communications

© 2024 Science X Network