Um novo estudo em Nature Communications investiga a sintonia elétrica do fluxo de luz ramificado em filmes nemáticos de cristal líquido (NLC), revelando padrões controlados e características estatísticas com aplicações potenciais em óptica e fotônica.



O fluxo de luz ramificado manifesta-se como padrões intrincados em ondas de luz que navegam através de um meio desordenado, formando múltiplas vias ramificadas.

Posicionado entre fenômenos de transporte balístico e difusivo - onde balístico implica movimento em linha reta desimpedido semelhante a um feixe de laser, e difusivo envolve comportamento disperso e caótico - o fenômeno ganha importância por seu potencial no controle de processos físicos, particularmente ópticos e fotônicos.

Atuando como um estado de transição entre a propagação de luz ordenada e desordenada, fornece uma plataforma para uma direção de luz controlada e intrincada.

Essa manipulação se torna um ponto focal em um estudo conduzido pelo Dr. Jin-hui Chen da Universidade de Xiamen na China e pelo Dr. Jian-Hua Jiang da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, onde eles exploram especificamente a sintonia elétrica do fluxo de luz ramificado. dentro dos filmes NLC.

"Devido à sua natureza errática e comportamentos ricos, a manipulação de fluxos ramificados de maneira controlável nunca foi realizada em experimentos. Descobrimos que filmes de cristal líquido desordenados com efeito eletro-óptico fornecem uma excelente plataforma para a geração e regulação de fluxo ramificado de luz", disse o Dr. Chen ao Phys.org.

"Durante minha visita ao Prof. Chen na Universidade de Xiamen, ele estava pesquisando o fluxo ramificado de luz em cristais líquidos. Reconhecendo a importância dos defeitos topológicos neste contexto, entendi que sua estabilidade sob campos elétricos contribui para a estabilidade do sistema, permitindo a repetibilidade comutação liga e desliga do fluxo de luz ramificado", acrescentou o Dr. Jiang.

Defeitos topológicos em NLCs

Os cristais líquidos exibem características dos estados fluido e sólido. Suas moléculas podem fluir como um líquido, mantendo algum grau de ordem semelhante a um sólido. Este comportamento distinto surge do delicado equilíbrio entre forças intermoleculares e energia térmica.

Os pesquisadores se concentraram no comportamento do NLC em particular. Os cristais líquidos nemáticos são caracterizados pelo alinhamento de suas moléculas em uma direção específica, criando uma ordem distinta dentro do material. Este alinhamento é sensível a fatores externos, como campos elétricos.

O ajuste elétrico do fluxo de luz ramificado nos filmes NLC envolve a manipulação da orientação dessas moléculas de cristal líquido. Quando um campo elétrico é aplicado, induz uma reorientação das moléculas, alterando as propriedades do filme NLC. Este processo é crucial para gerar e regular os intrincados padrões de fluxo de luz ramificado.

Defeitos topológicos no filme NLC desempenham um papel duplo no fenômeno.

Dr. Chen explicou:"Em primeiro lugar, eles contribuem para a formação espontânea de padrões estruturados chamados texturas schlieren, resultantes de orientações desordenadas de moléculas NLC e anisotropia dielétrica desigual. Isso atua como um fraco potencial desordenado para propagação de luz."

"Em segundo lugar, sob uma pequena tensão elétrica, a reorientação das moléculas de cristal líquido ocorre sem perturbar as texturas schlieren. A robustez dos defeitos topológicos, possivelmente fixados por forças superficiais na interface, garante uma boa recuperabilidade do fluxo ramificado gerado pelas ondas de luz no sistema."

Observação do fluxo de luz ramificado em filmes NLC

Os pesquisadores empregaram uma configuração experimental meticulosa para investigar o ajuste elétrico do fluxo de luz ramificado em filmes NLC. Um estágio de tradução tridimensional de alta precisão permitiu o ajuste preciso do acoplamento de luz no filme NLC.

Isso envolveu a manipulação do campo polarizado de um laser de 532 nm com um polarizador e uma placa de meia onda. As observações do fluxo de luz foram facilitadas por um microscópio com lente objetiva de 10x e uma câmera óptica coletou o espalhamento de luz intrínseco do filme NLC.

Além disso, os pesquisadores usaram simulações para explorar as orientações do cristal líquido em resposta ao campo elétrico de ativação (controle).

Uma das descobertas mais surpreendentes dos pesquisadores foi a robustez dos defeitos topológicos que fixavam as texturas schlieren no cristal líquido e, portanto, os padrões de dispersão da luz.

Jiang explicou:"Mesmo com uma tensão elétrica notável que inclina muito a orientação das moléculas de cristal líquido, depois de desligar a tensão elétrica, os defeitos topológicos são recuperados, assim como as texturas schlieren."

"Isso permite o ajuste elétrico (ligar e desligar) dos potenciais de dispersão, e o fluxo ramificado de luz pode ser repetido muitas vezes. Está realmente fora de expectativa. Isso nos diz quão estáveis ​​são os defeitos topológicos nos cristais líquidos."

Uma observação digna de nota foi a variação no índice de cintilação, uma propriedade estatística crucial do fluxo ramificado, com mudanças na polarização da luz de entrada, observou o Dr. Chen. Esta dependência de polarização, anteriormente inatingível em outras plataformas, adicionou uma camada extra de complexidade e controle ao fluxo de luz ramificado gerado no filme NLC.

Além dos defeitos topológicos e da relação entre o índice de cintilação e a polarização, um terceiro fator teve importância:o comprimento de correlação do potencial desordenado, uma medida de quão estruturada ou ordenada a desordem está dentro do material, em relação ao comprimento de onda do propagação da luz.

O comprimento de correlação do potencial desordenado deve ser maior que o comprimento de onda da luz propagada para o aparecimento de fluxo ramificado. Um comprimento de correlação maior implica um padrão de desordem mais extenso e coerente.

"Devido à robustez dos defeitos topológicos, as texturas schlieren e o potencial de dispersão são bastante coerentes. Esses fatores tornam tudo controlável e nos permitem demonstrar a bela sintonia do fluxo ramificado de luz", explicou o Dr.

Redes neurais ópticas e sensores

Explicando aplicações potenciais e trabalhos futuros, o Dr. Chen disse:"Cristais líquidos podem criar superestruturas hierárquicas programáveis ​​para interações luz-matéria, mostrando alta sensibilidade a campos externos."

"Pesquisas futuras do nosso grupo irão se aprofundar na interação da luz com sistemas desordenados de cristal líquido, explorando configurações de transporte dentro e fora do plano com aplicações potenciais como redes neurais ópticas."

Do ponto de vista tecnológico, o Dr. Jiang apontou que esse fenômeno poderia ser aprimorado pela manipulação de feixes de luz. “A sintonia elétrica é bastante promissora para o funcionamento do dispositivo. Por exemplo, pode ser utilizada como chave para sensores ou detectores quando ligada ao filme de cristal líquido”, concluiu.

Mais informações: Shan-shan Chang et al, Ajuste elétrico de fluxo ramificado de luz, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44500-8
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