En ny studie i Nature Communications undersöker den elektriska inställningen av grenat ljusflöde i nematic liquid crystal (NLC) filmer, avslöjar kontrollerade mönster och statistiska egenskaper med potentiella tillämpningar inom optik och fotonik.
Förgrenat ljusflöde manifesterar sig som invecklade mönster i ljusvågor som navigerar genom ett oordnat medium och bildar flera förgrenade banor.
Placerat mellan ballistiska och diffusiva transportfenomen – där ballistiska implicerar obehindrad rätlinjerörelse som liknar en laserstråle, och diffusiv involverar spritt, kaotiskt beteende – får fenomenet betydelse för sin potential för att kontrollera fysiska processer, särskilt optik och fotonik.
Den fungerar som ett övergångstillstånd mellan ordnad och oordnad ljusspridning och ger en plattform för kontrollerad och invecklad ljusstyrning.
Denna manipulation blir en samlingspunkt i en studie utförd av Dr Jin-hui Chen från Xiamen University i Kina och Dr Jian-Hua Jiang från University of Science and Technology i Kina, där de specifikt utforskar den elektriska inställningen av grenat ljusflöde inom NLC-filmer.
"På grund av deras oberäkneliga natur och rika beteenden har manipulering av grenade flöden på ett kontrollerbart sätt aldrig realiserats i experiment. Vi finner att oordnade flytande kristallfilmer med elektrooptisk effekt ger en utmärkt plattform för generering och reglering av grenat flöde av lätt," sa Dr Chen till Phys.org.
"Under mitt besök hos professor Chen vid Xiamen University forskade han på det förgrenade ljusflödet i flytande kristaller. Jag insåg betydelsen av topologiska defekter i detta sammanhang och förstod att deras stabilitet under elektriska fält bidrar till systemstabilitet, vilket gör det möjligt att repeterbart på- och avväxling av grenat ljusflöde," tillade Dr Jiang.
Flytande kristaller uppvisar egenskaper för både flytande och fasta tillstånd. Deras molekyler kan flyta som en vätska samtidigt som de bibehåller en viss grad av ordning som liknar ett fast ämne. Detta särskiljande beteende härrör från den känsliga balansen mellan intermolekylära krafter och termisk energi.
Forskarna fokuserade på beteendet hos NLC i synnerhet. Nematiska flytande kristaller kännetecknas av inriktningen av deras molekyler i en specifik riktning, vilket skapar en distinkt ordning i materialet. Denna inriktning är känslig för yttre faktorer, såsom elektriska fält.
Den elektriska inställningen av grenat ljusflöde i NLC-filmer involverar manipulering av orienteringen av dessa flytande kristallmolekyler. När ett elektriskt fält appliceras, inducerar det en omorientering av molekylerna, vilket förändrar egenskaperna hos NLC-filmen. Denna process är avgörande för att generera och reglera de invecklade mönstren av grenat ljusflöde.
Topologiska defekter i NLC-filmen spelar en dubbel roll i fenomenet.
Dr Chen förklarade, "För det första bidrar de till den spontana bildningen av strukturerade mönster som kallas schlieren-texturer, som är resultatet av oordnade orienteringar av NLC-molekyler och ojämn dielektrisk anisotropi. Detta fungerar som en svag oordnad potential för att sprida ljus."
"För det andra, under en liten elektrisk spänning, sker omorienteringen av flytande kristallmolekyler utan att störa schlieren-texturerna. Robustheten hos topologiska defekter, möjligen fastade av ytkrafter vid gränssnittet, säkerställer god återhämtning av det grenade flödet som genereras av ljusvågor i system."
Forskarna använde en noggrann experimentell uppställning för att undersöka den elektriska inställningen av grenat ljusflöde i NLC-filmer. Ett tredimensionellt översättningssteg med hög precision möjliggjorde exakt inställning av ljuskopplingen till NLC-filmen.
Detta innebar att manipulera en 532 nm lasers polariserade fält med en polarisator och en halvvågsplatta. Observationer av ljusflödet underlättades av ett mikroskop med en 10x objektivlins, och en optisk kamera samlade in inneboende ljusspridning från NLC-filmen.
Dessutom använde forskarna simuleringar för att utforska flytande kristallers orienteringar som svar på det elektriska fältet för grindning (kontroll).
En av de mest överraskande fynden av forskarna var robustheten hos de topologiska defekterna som fäste schlieren-texturerna i den flytande kristallen och därför ljusspridningsmönstren.
Dr Jiang förklarade, "Även med en anmärkningsvärd elektrisk spänning som lutar orienteringen av flytande kristallmolekyler mycket, efter att den elektriska spänningen stängts av, återställs de topologiska defekterna, och detsamma är de schlierens texturer."
"Detta möjliggör den elektriska inställningen (slå på och av) av spridningspotentialerna, och det grenade ljusflödet kan upprepas många gånger. Det är verkligen över förväntan. Det berättar för oss hur stabila de topologiska defekterna i flytande kristaller är."
En anmärkningsvärd observation var variationen i scintillationsindex, en avgörande statistisk egenskap hos grenat flöde, med förändringar i ingångsljuspolarisation, noterade Dr Chen. Detta polarisationsberoende, som tidigare var ouppnåeligt på andra plattformar, lade till ett extra lager av komplexitet och kontroll till det förgrenade ljusflödet som genererades i NLC-filmen.
Förutom de topologiska defekterna och förhållandet mellan scintillationsindex och polarisation, var en tredje faktor viktig:korrelationslängden för den oordnade potentialen, ett mått på hur strukturerad eller ordnad störningen är inom materialet, i förhållande till våglängden på spridande ljus.
Korrelationslängden för den oordnade potentialen måste vara större än våglängden för det fortplantande ljuset för uppkomsten av ett grenat flöde. En större korrelationslängd innebär ett mer utvidgat och sammanhängande störningsmönster.
"På grund av robustheten hos de topologiska defekterna är schlieren-texturerna och spridningspotentialen ganska koherenta. Dessa faktorer gör allt kontrollerbart och gör det möjligt för oss att demonstrera den vackra inställningen av det grenade ljusflödet", förklarade Dr. Jiang.
Dr Chen förklarade potentiella tillämpningar och framtida arbeten, "Flytande kristaller kan skapa programmerbara hierarkiska överbyggnader för ljus-materia-interaktioner, som visar hög känslighet för yttre fält."
"Framtida forskning från vår grupp kommer att fördjupa sig i ljusets interaktion med oordnade flytande kristallsystem, utforska transportkonfigurationer i planet och utanför planet med potentiella tillämpningar som optiska neurala nätverk."
Ur ett tekniskt perspektiv påpekade Dr Jiang att detta fenomen kan förbättras för att manipulera ljusstrålar. "Den elektriska inställningen är ganska lovande för enhetens funktion. Den kan till exempel användas som en switch för sensorer eller detektorer när den är kopplad till flytande kristallfilmen", avslutade han.
Mer information: Shan-shan Chang et al, Elektrisk inställning av grenat ljusflöde, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44500-8
Journalinformation: Nature Communications
© 2024 Science X Network
