Estudo revela uma topologia polar toroidal espontânea no estado nemático helielétrico
Enxame de topologia polar toroidal aparecendo no fundo líquido. Crédito:Yang et al. Dipolos magnéticos e elétricos, objetos com duas extremidades com carga oposta, têm uma estrutura simétrica semelhante. Pode-se, portanto, supor que eles exibem estruturas internas e estados físicos semelhantes.
Pesquisadores da Universidade de Tecnologia do Sul da China, na China, mostraram recentemente que nem sempre é esse o caso, examinando a topologia de um estado emergente de matéria líquida ferroelétrica com hélices polarizadas, conhecido como "estado nemático helielétrico". Suas descobertas, publicadas na Nature Physics , mostram que este estado possui uma topologia polar toroidal espontânea gerada através de um efeito flexoelétrico que favorece uma forma específica de deformação espalhada das polarizações.
Embora a ferroeletricidade na fase nemática tenha sido levantada durante décadas, ela só foi demonstrada experimentalmente em 2020, por um grupo de pesquisa da Universidade do Colorado em Boulder. Esta equipe observou com sucesso esta fase indescritível de cristal líquido em RM734, um composto químico sintetizado por um grupo de pesquisa da Universidade de Leeds em 2017.
"Em colaboração com um químico, Prof. Huang, nosso grupo começou a projetar materiais de cristal líquido altamente polares e fluídicos e a compreender suas relações estrutura-propriedade em 2019, que ainda precisavam ser estabelecidas em níveis fundamentais", disse Satoshi Aya, autor correspondente do artigo. o artigo atual em Nature Physics , disse ao Phys.org. "Nós nos baseamos nos trabalhos pioneiros de Mandle e Goodby (molécula RM734) e de um grupo japonês na Universidade de Kyushu liderado pelo Prof. Kikuchi (molécula DIO). Notavelmente, tanto RM734 quanto DIO foram encontrados em 2017, quase ao mesmo tempo."
Até recentemente, Aya e seus colaboradores compilaram uma biblioteca molecular contendo vários nemáticos ferroelétricos e novos materiais de cristal líquido polar. Ao analisar materiais nesta biblioteca, que agora inclui aproximadamente 300–400 materiais, eles foram capazes de identificar fases polares e transições de fase inesperadas que levam à formação de estruturas topológicas polares anteriormente desconhecidas.
“Como um caso particular, encontramos alguns materiais nemáticos ferroelétricos com anisotropia de forma relativamente baixa, mas alta polaridade pode ir diretamente do líquido isotrópico para a fase nemática ferroelétrica em 2020”, explicou Aya. "Isso nos permitiu gerar espontaneamente gotículas nemáticas ferroelétricas flutuando no fundo líquido isotrópico. O confinamento espacial leva a várias texturas topológicas polares únicas, algumas conhecidas como merons polares, cuja formação foi atribuída como sendo impulsionada principalmente por interações polares nos fluidos ferroelétricos. "
A fase anteriormente descoberta por Aya é impulsionada por uma elasticidade Frank convencional, bem como por flexoeletricidade e efeito de campo de despolarização. Esta interessante descoberta os inspirou a explorar ainda mais a competição entre as interações polares e a elasticidade do cristal líquido na fase.
Toroidais ampliados. Crédito:Yang et al.
"Em nosso estudo recente, inicialmente pretendemos entender como a quiralidade seria acoplada à flexoeletricidade e ao efeito do campo de despolarização", disse Aya. "Portanto, dopamos dopantes quirais na molécula nemática ferroelétrica usada em um de nossos artigos anteriores publicados na Nature Communications . É claro que, no início, não esperávamos que aparecesse uma textura tão adorável e sem precedentes."
Em seu estudo recente, Aya e seus colegas empregaram duas técnicas experimentais primárias. Primeiro, eles usaram uma microscopia interferométrica de geração de segundo harmônico, aproveitando uma resposta óptica não linear que surge em sistemas onde a simetria de inversão é quebrada.
Este primeiro método permitiu visualizar o campo de orientação polar em sua amostra. Posteriormente, os pesquisadores usaram uma técnica chamada microscopia fluorescente polarizada para verificar novamente o campo de orientação obtido pela microscopia interferométrica de geração de segundo harmônico.
“A microscopia interferométrica e a microscopia fluorescente polarizada são métodos complementares”, explicou Aya. "Enquanto o primeiro investiga o campo de orientação inequivalente (polar) cabeça-cauda, o último captura o campo de orientação equivalente (não polar) cabeça-cauda."
No geral, Aya e seus colaboradores reuniram observações muito interessantes. Primeiro, eles mostraram que, diferentemente dos materiais ferroelétricos à base de cristais, nos quais apenas uma ou duas interações polares fortes dominam e competem com a deformação da rede, os fluidos ferroelétricos equilibram as interações com muito maior liberdade.
“Esse equilíbrio delicado pode levar vários influenciadores a determinar os detalhes topológicos”, disse Aya. "Por exemplo, em palavras simples, resumindo o caso atual, a competição entre quiralidade e confinamento julga se um campo no plano e sem torção é favorecido; a flexoeletricidade determina onde as paredes de domínio devem ser geradas; e, finalmente, o campo de despolarização dita que tipo de orientação polar campo deve ser gerado em torno das paredes do domínio."
O processo físico observado por Aya e seus colegas possui diversas etapas, nas quais diferentes interações contribuem para detalhar a topologia final dos materiais. Suas descobertas sugerem que combinações de interações de cristais polares e líquidos com diferentes magnitudes podem levar a uma gama diversificada de topologias polares desconhecidas. Com base nesta visão, os investigadores poderão em breve começar a observar novas topologias polares, projetando moléculas com diferentes formas e propriedades polares.
"A segunda implicação principal de nossas descobertas é que o campo de despolarização é um fator vital que afeta a dinâmica impulsionada pelo campo elétrico em fluidos ferroelétricos confinados", disse Aya. "Esta mensagem é muito importante. Imagine que agora você tem um alinhamento uniforme do campo de orientação polar para uma direção específica no espaço livre. Se aplicarmos um campo elétrico DC antiparalelo à polarização, é fácil esperar que o campo de polarização irá reorientar para a direção do campo, conforme verificado pelo grupo UC Boulder sobre nemáticos ferroelétricos em 2020.
“Descobrimos que este cenário não se aplica aos nemáticos confinados. Um trabalho semelhante, mas com um processo ligeiramente diferente, também foi publicado um ano antes da nossa publicação.”
Outra imagem ampliada de toridais. Crédito:Yang et al.
Aya e seus colaboradores descobriram que a estrutura topológica observada pelo grupo na UC Boulder não se aplica a nemáticos confinados, onde campos de despolarização não triviais podem se desenvolver através de campos complexos de orientação polar espacial. Na fase que observaram, tanto a carga espacial devido à deformação espalhada do campo de orientação quanto a carga inter-racial criada em interfaces ou perto de singularidades orientacionais atuam como fonte dos campos de despolarização.
"Por um lado, é preciso perceber esse assunto quando eles fazem experimentos usando fluidos ferroelétricos, especialmente quando querem julgar para qual direção a polarização se orienta usando o campo elétrico (como fez o grupo de Boulder)", disse Aya. "Por outro lado, como uma perspectiva ingênua, acho que o campo de despolarização não trivial também pode ser considerado uma ferramenta para gerar padrões de polarização complexos (portanto, engenharia topológica ou comutação topológica) que seriam impossíveis usando eletrodos complexos."
Este trabalho recente de Aya e seus colaboradores poderá em breve abrir caminho para novos estudos que investiguem a topologia polar toroidal impulsionada pela interação polar que eles descobriram. Além disso, poderia abrir novas oportunidades para o desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos comutáveis de matéria ferroelétrica e líquida.
“É claro que não é fácil esclarecer o mecanismo que funciona por trás da formação de topologias únicas apenas do lado experimental”, disse Aya. "Nesta perspectiva, juntamente com o desenvolvimento de novas moléculas com diferentes equilíbrios de interações mencionados acima, iremos e temos trabalhado no desenvolvimento de uma base teórica para fluidos nemáticos polares e na exploração de novas topologias polares, ajustando o equilíbrio entre as interações polares e de cristal líquido. Além disso, , projetar redes topológicas polares voltadas para ferroelétricos topológicos também é muito desafiador."
Em alguns de seus estudos anteriores, os pesquisadores mostraram que um campo de orientação polar complexo é uma característica vantajosa para a realização de sistemas que exibem uma amplificação óptica não linear conhecida como correspondência de fase. Como parte de suas pesquisas futuras, eles gostariam de aproveitar suas descobertas para facilitar o desenvolvimento potencial desses sistemas.
“A engenharia de polarização em ferroelétricos baseados em cristais é conhecida por ser muito difícil”, acrescentou Aya. "Assim, desenvolver engenharia de polarização anteriormente impossível em fluidos polares e, portanto, permitir a fabricação de dispositivos ópticos não lineares altamente eficientes será um dos nossos objetivos de acompanhamento."
