Un nuovo studio su Nature Communications studia la regolazione elettrica del flusso di luce ramificato nei film di cristalli liquidi nematici (NLC), rivelando modelli controllati e caratteristiche statistiche con potenziali applicazioni nell'ottica e nella fotonica.
Il flusso di luce ramificato si manifesta come schemi intricati di onde luminose che navigano attraverso un mezzo disordinato, formando molteplici percorsi ramificati.
Posizionato tra i fenomeni di trasporto balistico e diffusivo - dove il balistico implica un movimento rettilineo senza ostacoli simile a un raggio laser, e il diffusivo implica un comportamento sparso e caotico - il fenomeno acquista significato per il suo potenziale nel controllo dei processi fisici, in particolare dell'ottica e della fotonica.
Agendo come uno stato di transizione tra la propagazione della luce ordinata e disordinata, fornisce una piattaforma per un orientamento della luce controllato e complesso.
Questa manipolazione diventa un punto focale in uno studio condotto dal Dr. Jin-hui Chen dell'Università di Xiamen in Cina e dal Dr. Jian-Hua Jiang dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina, dove esplorano specificamente la sintonizzazione elettrica del flusso di luce ramificato all'interno dei film della NLC.
"A causa della loro natura irregolare e dei ricchi comportamenti, la manipolazione dei flussi ramificati in modo controllabile non è mai stata realizzata negli esperimenti. Troviamo che le pellicole di cristalli liquidi disordinati con effetto elettro-ottico forniscono un'eccellente piattaforma per la generazione e la regolazione del flusso ramificato di luce", ha detto il dottor Chen a Phys.org.
"Durante la mia visita al Prof. Chen dell'Università di Xiamen, stava studiando il flusso ramificato di luce nei cristalli liquidi. Riconoscendo l'importanza dei difetti topologici in questo contesto, ho capito che la loro stabilità sotto i campi elettrici contribuisce alla stabilità del sistema, consentendo la ripetibilità accensione e spegnimento del flusso luminoso ramificato," ha aggiunto il Dr. Jiang.
I cristalli liquidi mostrano le caratteristiche sia dello stato fluido che di quello solido. Le loro molecole possono fluire come un liquido pur mantenendo un certo grado di ordine simile a quello di un solido. Questo comportamento distintivo deriva dal delicato equilibrio tra forze intermolecolari ed energia termica.
I ricercatori si sono concentrati in particolare sul comportamento dell'NLC. I cristalli liquidi nematici sono caratterizzati dall'allineamento delle loro molecole in una direzione specifica, creando un ordine distinto all'interno del materiale. Questo allineamento è sensibile a fattori esterni, come i campi elettrici.
La regolazione elettrica del flusso luminoso ramificato all'interno delle pellicole NLC comporta la manipolazione dell'orientamento di queste molecole di cristalli liquidi. Quando viene applicato un campo elettrico, induce un riorientamento delle molecole, alterando le proprietà del film NLC. Questo processo è fondamentale per generare e regolare gli intricati schemi del flusso luminoso ramificato.
I difetti topologici nel film NLC svolgono un duplice ruolo nel fenomeno.
Il dottor Chen ha spiegato:"In primo luogo, contribuiscono alla formazione spontanea di modelli strutturati chiamati texture schlieren, risultanti da orientamenti disordinati delle molecole NLC e da un'anisotropia dielettrica irregolare. Questo agisce come un debole potenziale disordinato per la propagazione della luce."
"In secondo luogo, sotto una piccola tensione elettrica, il riorientamento delle molecole di cristalli liquidi avviene senza interrompere le strutture schlieren. La robustezza dei difetti topologici, eventualmente bloccati dalle forze superficiali all'interfaccia, garantisce una buona recuperabilità del flusso ramificato generato dalle onde luminose nel sistema."
I ricercatori hanno utilizzato un meticoloso apparato sperimentale per studiare la regolazione elettrica del flusso di luce ramificato nelle pellicole NLC. Una fase di traslazione tridimensionale ad alta precisione ha consentito la regolazione precisa dell'accoppiamento della luce nella pellicola NLC.
Ciò ha comportato la manipolazione del campo polarizzato di un laser da 532 nm con un polarizzatore e una piastra a semionda. Le osservazioni del flusso luminoso sono state agevolate da un microscopio con obiettivo 10x e una fotocamera ottica ha raccolto la diffusione della luce intrinseca dalla pellicola NLC.
Inoltre, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni per esplorare gli orientamenti dei cristalli liquidi in risposta al campo elettrico di controllo.
Una delle scoperte più sorprendenti dei ricercatori è stata la robustezza dei difetti topologici che fissano le trame schlieren nel cristallo liquido e, quindi, i modelli di diffusione della luce.
Il dottor Jiang ha spiegato:"Anche con un voltaggio elettrico notevole che inclina molto l'orientamento delle molecole di cristalli liquidi, dopo aver spento il voltaggio elettrico, i difetti topologici vengono recuperati, così come le strutture schlieren."
"Ciò consente la sintonizzazione elettrica (accensione e spegnimento) dei potenziali di diffusione e il flusso ramificato di luce può essere ripetuto molte volte. È davvero fuori aspettativa. Ci dice quanto sono stabili i difetti topologici nei cristalli liquidi."
Un'osservazione degna di nota è stata la variazione dell'indice di scintillazione, una proprietà statistica cruciale del flusso ramificato, con cambiamenti nella polarizzazione della luce in ingresso, ha osservato il dottor Chen. Questa dipendenza dalla polarizzazione, precedentemente irraggiungibile in altre piattaforme, ha aggiunto un ulteriore livello di complessità e controllo al flusso di luce ramificato generato nella pellicola NLC.
Oltre ai difetti topologici e al rapporto tra indice di scintillazione e polarizzazione, aveva importanza un terzo fattore:la lunghezza di correlazione del potenziale disordinato, una misura di quanto è strutturato o ordinato il disordine all'interno del materiale, in relazione alla lunghezza d'onda del potenziale disordinato. propagazione della luce.
La lunghezza di correlazione del potenziale disordinato deve essere maggiore della lunghezza d'onda della luce che si propaga perché appaia un flusso ramificato. Una maggiore lunghezza di correlazione implica un modello di disordine più esteso e coerente.
"Grazie alla robustezza dei difetti topologici, le texture schlieren e il potenziale di diffusione sono abbastanza coerenti. Questi fattori rendono tutto controllabile e ci permettono di dimostrare la bella sintonizzazione del flusso ramificato di luce", ha spiegato il Dr. Jiang.
Spiegando le potenziali applicazioni e il lavoro futuro, il dottor Chen ha affermato:"I cristalli liquidi possono creare sovrastrutture gerarchiche programmabili per le interazioni luce-materia, mostrando un'elevata sensibilità ai campi esterni."
"La ricerca futura del nostro gruppo approfondirà l'interazione della luce con sistemi di cristalli liquidi disordinati, esplorando configurazioni di trasporto nel piano e fuori piano con potenziali applicazioni come le reti neurali ottiche."
Da un punto di vista tecnologico, il dottor Jiang ha sottolineato che questo fenomeno potrebbe essere migliorato per manipolare i raggi luminosi. "La sintonizzazione elettrica è piuttosto promettente per il funzionamento del dispositivo. Ad esempio, può essere utilizzato come interruttore per sensori o rilevatori quando è collegato alla pellicola a cristalli liquidi", ha concluso.
Ulteriori informazioni: Shan-shan Chang et al, Sintonizzazione elettrica del flusso ramificato di luce, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44500-8
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