I dipoli magnetici ed elettrici, oggetti con due estremità caricate in modo opposto, hanno una struttura simmetrica simile. Si potrebbe quindi supporre che presentino strutture interne e stati fisici simili.
I ricercatori della South China University of Technology in Cina hanno recentemente dimostrato che questo non è sempre così, esaminando la topologia di uno stato emergente di materia liquida ferroelettrica con eliche polarizzate, noto come “stato nematico elielettrico”. I loro risultati, pubblicati su Nature Physics , mostrano che questo stato ha una topologia polare toroidale spontanea generata attraverso un effetto flessoelettrico che favorisce una specifica forma di deformazione strombata delle polarizzazioni.
Sebbene la ferroelettricità nella fase nematica sia stata ipotizzata per decenni, è stata dimostrata sperimentalmente solo nel 2020, da un gruppo di ricerca dell’Università del Colorado Boulder. Questo team ha osservato con successo questa sfuggente fase di cristalli liquidi nell'RM734, un composto chimico sintetizzato da un gruppo di ricerca dell'Università di Leeds nel 2017.
"In collaborazione con un chimico, il Prof. Huang, il nostro gruppo ha iniziato a progettare materiali a cristalli liquidi altamente polari e fluidi e a comprendere le loro relazioni struttura-proprietà nel 2019, che dovevano ancora essere stabilite a livelli fondamentali", Satoshi Aya, l'autore corrispondente di l'attuale articolo in Nature Physics , ha detto a Phys.org. "Ci siamo basati sui lavori pionieristici di Mandle e Goodby (molecola RM734) e di un gruppo giapponese dell'Università di Kyushu guidato dal Prof. Kikuchi (molecola DIO). In particolare, sia RM734 che DIO sono stati trovati nel 2017, quasi nello stesso momento."
Fino a poco tempo fa, Aya e i suoi collaboratori hanno compilato una libreria molecolare contenente vari materiali ferroelettrici nematici e nuovi cristalli liquidi polari. Analizzando i materiali presenti in questa libreria, che ora comprende circa 300-400 materiali, sono stati in grado di identificare le fasi polari e le transizioni di fase inaspettate che portano alla formazione di strutture topologiche polari precedentemente sconosciute.
"Come caso particolare, abbiamo trovato alcuni materiali nematici ferroelettrici con anisotropia di forma relativamente bassa ma polarità elevata che possono passare direttamente dal liquido isotropo alla fase nematica ferroelettrica nel 2020", ha spiegato Aya. “Ciò ci ha permesso di generare spontaneamente goccioline nematiche ferroelettriche fluttuanti nello sfondo liquido isotropo. Il confinamento spaziale porta a diverse strutture topologiche polari uniche, alcune note come meroni polari, la cui formazione è stata attribuita principalmente alle interazioni polari nei fluidi ferroelettrici. "
La fase precedentemente scoperta da Aya è guidata da un'elasticità di Frank convenzionale, nonché dall'effetto di campo di flessoelettricità e depolarizzazione. Questa interessante scoperta li ha ispirati a esplorare ulteriormente la competizione tra le interazioni polari e l'elasticità dei cristalli liquidi nella fase.
"Nel nostro recente studio, inizialmente miravamo a capire come la chiralità sarebbe accoppiata con l'effetto del campo di flessoelettricità e depolarizzazione", ha detto Aya. "Pertanto, abbiamo drogato droganti chirali nella molecola nematica ferroelettrica utilizzata in uno dei nostri precedenti articoli pubblicati su Nature Communications . Naturalmente, all'inizio non ci aspettavamo che apparisse una texture così bella e senza precedenti."
Nel loro recente studio, Aya e i suoi colleghi hanno utilizzato due tecniche sperimentali primarie. Innanzitutto, hanno utilizzato una microscopia interferometrica di generazione di seconda armonica, sfruttando una risposta ottica non lineare che emerge nei sistemi in cui la simmetria di inversione è rotta.
Questo primo metodo ha permesso loro di visualizzare il campo orientazionale polare nel loro campione. Successivamente, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata microscopia a fluorescenza polarizzata per ricontrollare il campo orientazionale ottenuto mediante microscopia interferometrica a generazione di seconda armonica.
"La microscopia interferometrica e la microscopia a fluorescenza polarizzata sono metodi complementari", ha spiegato Aya. "Mentre il primo sonda il campo orientativo inequivalente (polare) testa-coda, il secondo cattura il campo orientativo equivalente (non polare) testa-coda."
Nel complesso, Aya e i suoi collaboratori hanno raccolto osservazioni molto interessanti. In primo luogo, hanno dimostrato che, a differenza dei materiali ferroelettrici a base di cristalli, in cui solo una o due forti interazioni polari dominano e competono con la deformazione del reticolo, i fluidi ferroelettrici bilanciano le interazioni con una libertà molto maggiore.
"Questo delicato equilibrio può portare a molteplici influenzatori che determinano i dettagli topologici", ha detto Aya. "Ad esempio, riassumendo in parole semplici il caso attuale, la competizione tra chiralità e confinamento giudica se è favorito un campo in piano e non ritorto; la flessoelettricità determina dove dovrebbero essere generate le pareti del dominio; e infine, il campo di depolarizzazione determina quale tipo di orientamento polare dovrebbe essere generato attorno ai muri del dominio."
Il processo fisico osservato da Aya e dai suoi colleghi prevede diverse fasi, in cui diverse interazioni contribuiscono a definire i dettagli della topologia finale dei materiali. I loro risultati suggeriscono che combinazioni di interazioni polari e di cristalli liquidi con magnitudini diverse potrebbero portare a una vasta gamma di topologie polari sconosciute. Basandosi su questa intuizione, i ricercatori potrebbero presto iniziare a osservare nuove topologie polari, progettando molecole con forme e proprietà polari diverse.
"La seconda implicazione chiave delle nostre scoperte è che il campo di depolarizzazione è un fattore vitale che influenza la dinamica guidata dal campo elettrico nei fluidi ferroelettrici confinati", ha detto Aya. "Questo messaggio è molto importante. Immagina di avere ora un allineamento uniforme del campo orientazionale polare rispetto a una particolare direzione nello spazio libero. Se si applica un campo elettrico CC antiparallelo alla polarizzazione, è facile aspettarsi che il campo di polarizzazione si riorienti alla direzione del campo, come verificato dal gruppo UC Boulder sui nematici ferroelettrici nel 2020.
"Abbiamo scoperto che questo scenario non vale per i nematici confinati. Un lavoro simile, ma con un processo leggermente diverso, è stato pubblicato anche un anno prima della nostra pubblicazione."
Aya e i suoi collaboratori hanno scoperto che la struttura topologica osservata dal gruppo dell'UC Boulder non si applica ai nematici confinati, dove campi di depolarizzazione non banali possono svilupparsi attraverso complessi campi di orientamento polare spaziale. Nella fase osservata, sia la carica spaziale dovuta alla deformazione del campo di orientamento che la carica interrazziale creata sulle interfacce o vicino alle singolarità di orientamento agiscono come fonte dei campi di depolarizzazione.
"Da un lato, bisogna rendersi conto di questo problema quando fanno esperimenti usando fluidi ferroelettrici, specialmente quando vogliono giudicare in quale direzione si orienta la polarizzazione usando il campo elettrico (come ha fatto il gruppo Boulder)", ha detto Aya. "D'altra parte, da una prospettiva ingenua, immagino che il campo di depolarizzazione non banale possa anche essere considerato come uno strumento per generare modelli di polarizzazione complessi (quindi ingegneria topologica o commutazione topologica) che sarebbero impossibili utilizzando elettrodi complessi."
Questo recente lavoro di Aya e dei suoi collaboratori potrebbe presto aprire la strada a ulteriori studi che indagano sulla topologia polare toroidale guidata dall’interazione polare che hanno scoperto. Inoltre, potrebbe aprire nuove opportunità per lo sviluppo di dispositivi optoelettronici commutabili ferroelettrici-materia liquida.
"Naturalmente, non è facile far luce sul meccanismo che sta dietro alla formazione di topologie uniche solo dal lato sperimentale", ha detto Aya. "In questa prospettiva, oltre allo sviluppo di nuove molecole con diversi equilibri di interazioni menzionati sopra, lavoreremo e lavoreremo sullo sviluppo di un background teorico per i fluidi nematici polari e sull'esplorazione di nuove topologie polari regolando l'equilibrio tra le interazioni polari e quelle dei cristalli liquidi. Inoltre , anche la progettazione di reti topologiche polari verso il ferroelettrico topologico è molto impegnativa."
In alcuni dei loro studi precedenti, i ricercatori hanno dimostrato che un campo orientativo polare complesso è una caratteristica vantaggiosa per la realizzazione di sistemi che presentano un'amplificazione ottica non lineare nota come adattamento di fase. Nell'ambito della loro ricerca futura, vorrebbero basarsi sulle loro scoperte per facilitare il potenziale sviluppo di questi sistemi.
"L'ingegneria della polarizzazione nei ferroelettrici a base di cristalli è nota per essere molto difficile", ha aggiunto Aya. "Pertanto, lo sviluppo di un'ingegneria di polarizzazione precedentemente impossibile nei fluidi polari e quindi la possibilità di realizzare dispositivi ottici non lineari altamente efficienti sarà uno dei nostri obiettivi successivi."
Ulteriori informazioni: Jidan Yang et al, Topologia polare toroidale guidata dalla flessoelettricità negli elicotteri a materia liquida, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02439-7
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