I ricercatori KAIST hanno osservato per la prima volta la transizione di fase dei difetti topologici formati dai materiali a cristalli liquidi (LC).

La transizione di fase dei difetti topologici, che è stato anche il tema del Premio Nobel per la Fisica nel 2016, può essere difficile da capire per un profano, ma deve essere studiato per comprendere i misteri dell'universo o la fisica sottostante degli skyrmioni, che hanno difetti topologici intrinseci.

Se la galassia è presa come esempio nell'universo, è difficile osservare i difetti topologici perché il sistema è troppo grande per osservare alcuni cambiamenti in un periodo di tempo limitato. Nel caso di strutture difettose formate da molecole LC, non sono solo di dimensioni adatte per essere osservate con un microscopio ottico, ma anche il periodo di tempo in cui la transizione di fase di un difetto che si verifica può essere osservata direttamente in pochi secondi, che può essere esteso a pochi minuti. Le strutture difetto formate da materiale LC hanno radiali, circolare, o forme a spirale centrate su una singolarità (nucleo difettoso), come la singolarità già introdotta nel famoso film "Interstellar, " che è il punto centrale del buco nero.

Generalmente, I materiali LC sono utilizzati principalmente nei display a cristalli liquidi (LCD) e nei sensori ottici perché è facile controllare il loro orientamento specifico e hanno caratteristiche di risposta rapida e enormi proprietà ottiche anisotrope. È vantaggioso in termini di prestazioni degli LCD che i difetti dei materiali LC siano ridotti al minimo. Il team di ricerca guidato dal professor Dong Ki Yoon presso la Graduate School of Nanoscience and Technology non ha semplicemente minimizzato tali difetti, ma ha cercato attivamente di utilizzare i difetti LC come elementi costitutivi per creare micro e nanostrutture per le applicazioni di modellazione. Durante questi sforzi, hanno trovato il modo di studiare direttamente la transizione di fase dei difetti topologici in condizioni in situ.

Considerando il materiale LC dal punto di vista di un dispositivo come un LCD, la robustezza è importante. Perciò, il materiale LC viene iniettato attraverso il fenomeno dei capillari tra una lastra rigida a due vetri e l'orientamento dei LC può essere seguito dalla condizione di ancoraggio superficiale del substrato di vetro. Però, in questo caso convenzionale, è difficile osservare la transizione di fase del difetto LC a causa di questa forte forza di ancoraggio superficiale indotta dal substrato solido.

Per risolvere questo problema, il team di ricerca ha progettato una piattaforma, in cui il movimento delle molecole LC non era limitato, formando un sottile film di materiale LC sull'acqua, che è come l'olio che galleggia sull'acqua. Per questo, una goccia di materiale LC è stata fatta gocciolare sull'acqua e diffusa per formare una pellicola sottile. I difetti topologici formati in questa circostanza potrebbero mostrare la transizione di fase termica al variare della temperatura. Inoltre, questo approccio può risalire alla morfologia della struttura del difetto originale dai cambiamenti sequenziali durante le variazioni di temperatura, che può dare spunti allo studio della formazione di difetti topologici nel cosmo o negli skyrmioni.

Il prof. Yoon ha detto, "Lo stesso studio dei difetti dei cristalli LC è stato ampiamente studiato da fisici e matematici per circa 100 anni. Tuttavia, questa è la prima volta che osserviamo direttamente la transizione di fase dei difetti LC." Ha anche aggiunto, "La Corea è leader nel settore LCD, ma la nostra ricerca di base sui LC non è a livello di ricerca mondiale."