Les chercheurs de KAIST ont observé pour la première fois la transition de phase des défauts topologiques formés par des matériaux à cristaux liquides (LC).

La transition de phase des défauts topologiques, qui était aussi le thème du prix Nobel de physique en 2016, peut être difficile à comprendre pour un profane, mais il doit être étudié pour comprendre les mystères de l'univers ou la physique sous-jacente des skyrmions, qui ont des défauts topologiques intrinsèques.

Si la galaxie est prise comme exemple dans l'univers, il est difficile d'observer les défauts topologiques car le système est trop grand pour observer certains changements sur une période de temps limitée. Dans le cas de structures défectueuses formées par des molécules LC, ils ne sont pas seulement d'une taille appropriée à observer avec un microscope optique, mais aussi la période de temps pendant laquelle la transition de phase d'un défaut survenant peut être observée directement sur quelques secondes, qui peut être étendu à quelques minutes. Les structures de défaut formées par le matériau LC ont radiale, circulaire, ou des formes en spirale centrées sur une singularité (noyau de défaut), comme la singularité déjà introduite dans le célèbre film "Interstellar, " qui est le point central du trou noir.

En général, Les matériaux LC sont principalement utilisés dans les écrans à cristaux liquides (LCD) et les capteurs optiques car il est facile de contrôler leur orientation spécifique et ils ont des caractéristiques de réponse rapide et d'énormes propriétés optiques anisotropes. Il est avantageux en termes de performances des LCD que les défauts des matériaux LC soient minimisés. L'équipe de recherche dirigée par le professeur Dong Ki Yoon de la Graduate School of Nanoscience and Technology n'a pas simplement minimisé ces défauts, mais a activement essayé d'utiliser les défauts LC comme éléments constitutifs pour créer des micro- et nanostructures pour les applications de structuration. Au cours de ces efforts, ils ont trouvé le moyen d'étudier directement la transition de phase des défauts topologiques dans des conditions in-situ.

Considérant le matériel LC du point de vue d'un appareil comme un LCD, la robustesse est importante. Par conséquent, le matériau LC est injecté par capillarité entre une plaque bi-verre rigide et l'orientation des LC peut être suivie de l'état d'ancrage surfacique du substrat verrier. Cependant, dans ce cas classique, il est difficile d'observer la transition de phase du défaut LC en raison de cette forte force d'ancrage surfacique induite par le substrat solide.

Afin de résoudre ce problème, l'équipe de recherche a conçu une plateforme, dans lequel le mouvement des molécules LC n'était pas restreint, en formant un film mince de matériau LC sur l'eau, qui est comme de l'huile flottant sur l'eau. Pour ça, une goutte de matériau LC a été égouttée sur de l'eau et étalée pour former un film mince. Les défauts topologiques formés dans cette circonstance pourraient montrer la transition de phase thermique lorsque la température était modifiée. En outre, cette approche peut retracer la morphologie de la structure du défaut d'origine à partir des changements séquentiels lors des changements de température, ce qui peut donner des indices à l'étude de la formation de défauts topologiques dans le cosmos ou les skyrmions.

Le professeur Yoon a dit :"L'étude des défauts des cristaux LC elle-même a été largement étudiée par les physiciens et les mathématiciens depuis environ 100 ans. Cependant, c'est la première fois que nous observons directement la transition de phase des défauts LC. "La Corée est leader dans l'industrie LCD, mais notre recherche fondamentale sur les CL n'est pas au niveau de la recherche mondiale."