Magnetiska och elektriska dipoler, objekt med två motsatt laddade ändar, har en liknande symmetrisk struktur. Man kan alltså anta att de uppvisar liknande inre strukturer och fysiska tillstånd.
Forskare vid South China University of Technology i Kina visade nyligen att detta inte alltid är fallet, genom att undersöka topologin för ett framväxande ferroelektriskt flytande materiatillstånd med polariserade spiraler, känt som det "helieelektriska nematiska tillståndet". Deras resultat, publicerade i Nature Physics , visar att detta tillstånd har en spontan toroidal polär topologi genererad genom en flexoelektrisk effekt som gynnar en specifik form av spridningsdeformation av polarisationer.
Medan ferroelektricitet i den nematiska fasen antogs i årtionden, demonstrerades den endast experimentellt 2020 av en forskargrupp vid University of Colorado Boulder. Detta team observerade framgångsrikt denna svårfångade flytande kristallfas i RM734, en kemisk förening som syntetiserades av en forskargrupp vid University of Leeds 2017.
"I samarbete med en kemist, professor Huang, började vår grupp designa högpolära och flytande flytande kristallmaterial och förstå deras struktur-egenskapsrelationer under 2019, som fortfarande behövde etableras på grundläggande nivåer," Satoshi Aya, motsvarande författare till den aktuella artikeln i Naturfysik , berättade för Phys.org. "Vi byggde på banbrytande verk av Mandle och Goodby (RM734-molekyl) och en japansk grupp vid Kyushu University ledd av Prof. Kikuchi (DIO-molekyl). Noterbart, både RM734 och DIO hittades 2017, nästan samtidigt."
Fram till nyligen har Aya och hans medarbetare sammanställt ett molekylärt bibliotek som innehåller olika ferroelektriska nematiska och nya polära flytande kristallmaterial. Genom att analysera material i detta bibliotek, som nu omfattar cirka 300–400 material, kunde de identifiera polära faser och oväntade fasövergångar som leder till bildandet av tidigare okända polära topologiska strukturer.
"Som ett särskilt fall hittade vi några ferroelektriska nematiska material med relativt låg formanisotropi men hög polaritet kan direkt gå från den isotropiska vätskan till den ferroelektriska nematiska fasen 2020," förklarade Aya. "Detta gjorde det möjligt för oss att spontant generera ferroelektriska nematiska droppar som flyter i den isotropiska vätskebakgrunden. Den rumsliga inneslutningen leder till flera unika polära topologiska texturer, några kända som polära meroner, vars bildning tillskrevs huvudsakligen drivs av polära interaktioner i de ferroelektriska vätskorna. "
Fasen som tidigare upptäckts av Aya drivs av en konventionell Frank-elasticitet, såväl som flexoelektricitet och depolarisationsfälteffekt. Denna intressanta upptäckt inspirerade dem att ytterligare utforska konkurrensen mellan polära interaktioner och flytande kristallers elasticitet i fasen.
"I vår senaste studie syftade vi initialt till att förstå hur kiralitet skulle kopplas till flexoelektricitet och depolarisationsfälteffekten," sa Aya. "Därför dopade vi kirala dopämnen i den ferroelektriska nematiska molekylen som användes i en av våra tidigare tidningar publicerade i Nature Communications . Naturligtvis, från början förväntade vi oss inte att en så härlig, aldrig tidigare skådad konsistens skulle dyka upp."
I sin senaste studie använde Aya och hans kollegor två primära experimentella tekniker. Först använde de en andra övertonsgenerations interferometrisk mikroskopi, som utnyttjade ett icke-linjärt optiskt svar som uppstår i system där inversionssymmetrin är bruten.
Denna första metod tillät dem att visualisera det polära orienteringsfältet i sitt prov. Därefter använde forskarna en teknik som kallas polariserad fluorescerande mikroskopi för att dubbelkontrollera det orienteringsfält som erhålls genom interferometrisk mikroskopi av andra övertonen.
"Interferometrisk mikroskopi och polariserad fluorescerande mikroskopi är komplementära metoder," förklarade Aya. "Medan den förra sonderar det head-to-tail-oekvivalenta (polära) orienteringsfältet, fångar det senare det head-to-tail-ekvivalenta (icke-polära) orienteringsfältet."
Sammantaget samlade Aya och hans medarbetare mycket intressanta observationer. Först visade de att till skillnad från kristallbaserade ferroelektriska material, där endast en eller två starka polära interaktioner dominerar och konkurrerar med gitterpåkänningen, balanserar ferroelektriska vätskor interaktioner med mycket större frihet.
"Denna känsliga balans kan leda till att flera påverkare bestämmer de topologiska detaljerna," sa Aya. "Till exempel, i enkla ord som sammanfattar det aktuella fallet, bedömer konkurrensen mellan kiralitet och inneslutning huruvida ett i-planet och otvinnat fält gynnas; flexoelektricitet bestämmer var domänväggar ska genereras; och slutligen dikterar depolarisationsfält vilken typ av polär orientering. fältet ska genereras runt domänväggarna."
Den fysiska process som Aya och hans kollegor observerar har flera stadier, där olika interaktioner bidrar till detaljer i materialens slutliga topologi. Deras resultat tyder på att kombinationer av polära och flytande kristallinteraktioner med olika magnituder kan leda till en mångfald av okända polära topologier. Med utgångspunkt i denna insikt kan forskare snart börja observera nya polära topologier genom att designa molekyler med olika former och polära egenskaper.
"Den andra nyckelimplikationen av våra fynd är att depolarisationsfältet är en viktig faktor som påverkar den elektriska fältdrivna dynamiken i begränsade ferroelektriska vätskor," sa Aya. "Detta meddelande är mycket viktigt. Föreställ dig att du nu har en enhetlig inriktning av det polära orienteringsfältet till en viss riktning i det fria utrymmet. Om man applicerar ett elektriskt DC-fält antiparallellt till polarisationen, är det lätt att förvänta sig att polarisationsfältet kommer att omorientera sig till fältriktningen, som verifierats av UC Boulder-gruppen för ferroelektrisk nematik 2020.
"Vi fann att det här scenariot inte håller för de instängda nematikerna. Ett liknande verk, men med en något annorlunda process, publicerades också ett år innan vår publicering."
Aya och hans medarbetare fann att den topologiska strukturen som observerats av gruppen vid UC Boulder inte gäller instängda nematik, där icke-triviala depolarisationsfält kan utvecklas via komplexa rumsliga polära orienteringsfält. I den fas de observerade fungerar både rymdladdningen på grund av orienteringsfältets spridningsdeformation och den interracial laddningen som skapas på gränssnitt eller nära orienteringssingulariteter som källan till depolarisationsfälten.
"Å ena sidan måste man inse detta när de gör experiment med ferroelektriska vätskor, speciellt när de vill bedöma i vilken riktning polarisationen orienterar genom att använda elektriska fält (som Boulder-gruppen gjorde)," sa Aya. "Å andra sidan, som ett naivt perspektiv, antar jag att det icke-triviala depolarisationsfältet också kan betraktas som ett verktyg för att generera komplexa polarisationsmönster (alltså topologisk ingenjörskonst eller topologisk omkoppling) som skulle vara omöjligt med hjälp av komplexa elektroder."
Detta senaste arbete av Aya och hans medarbetare kan snart bana väg för ytterligare studier som undersöker den polära interaktionsdrivna toroidala polära topologin som de upptäckte. Dessutom kan det öppna nya möjligheter för utvecklingen av omkopplingsbara optoelektroniska anordningar för ferroelektrisk flytande materia.
"Naturligtvis är det inte lätt att belysa mekanismen som fungerar bakom att skapa unika topologier endast från den experimentella sidan," sa Aya. "I detta perspektiv, tillsammans med att utveckla nya molekyler med olika balanser av interaktioner som nämnts ovan, kommer vi och har arbetat med att utveckla en teoretisk bakgrund för polära nematiska vätskor och utforska nya polära topologier genom att justera balansen mellan polära och flytande kristallinteraktioner. Dessutom , att designa polära topologiska nätverk mot topologisk ferroelektrik är också mycket utmanande."
I några av sina tidigare studier har forskarna visat att ett komplext polärt orienteringsfält är en fördelaktig egenskap för realisering av system som uppvisar en olinjär optisk förstärkning som kallas fasmatchning. Som en del av sin framtida forskning vill de bygga vidare på sina resultat för att underlätta den potentiella utvecklingen av dessa system.
"Polarisationsteknik i kristallbaserad ferroelektrik är känt för att vara mycket svårt," tillade Aya. "Att utveckla tidigare omöjlig polarisationsteknik i polära vätskor och därför möjliggöra tillverkning av högeffektiva olinjära optiska enheter kommer att vara ett av våra uppföljningsmål."
Mer information: Jidan Yang et al, Flexoelectricity-driven toroidal polar topology in liquid-materia helielectrics, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02439-7
Journalinformation: Nature Communications , Naturfysik
© 2024 Science X Network
