Des chercheurs de l'Université de technologie de Chine du Sud ont récemment montré que ce n'est pas toujours le cas, en examinant la topologie d'un état émergent de matière liquide ferroélectrique avec des hélices polarisées, connu sous le nom d'« état nématique héliélectrique ». Leurs découvertes, publiées dans Nature Physics , montrent que cet état a une topologie polaire toroïdale spontanée générée par un effet flexoélectrique qui favorise une forme spécifique de déformation évasée des polarisations.

Alors que la ferroélectricité dans la phase nématique était une hypothèse depuis des décennies, elle n’a été démontrée expérimentalement qu’en 2020, par un groupe de recherche de l’Université du Colorado à Boulder. Cette équipe a observé avec succès cette phase de cristaux liquides insaisissable dans le RM734, un composé chimique synthétisé par un groupe de recherche de l'Université de Leeds en 2017.

"En collaboration avec un chimiste, le professeur Huang, notre groupe a commencé à concevoir des matériaux à cristaux liquides hautement polaires et fluidiques et à comprendre leurs relations structure-propriétés en 2019, qui devaient encore être établies à des niveaux fondamentaux", Satoshi Aya, l'auteur correspondant de l'article actuel dans Nature Physics , a déclaré à Phys.org. "Nous nous sommes appuyés sur les travaux pionniers de Mandle et Goodby (molécule RM734) et d'un groupe japonais de l'université de Kyushu dirigé par le professeur Kikuchi (molécule DIO). Notamment, RM734 et DIO ont été découverts en 2017, presque en même temps. "

Jusqu'à récemment, Aya et ses collaborateurs compilaient une bibliothèque moléculaire contenant divers matériaux à cristaux liquides ferroélectriques nématiques et nouveaux polaires. En analysant les matériaux de cette bibliothèque, qui comprend désormais environ 300 à 400 matériaux, ils ont pu identifier les phases polaires et les transitions de phase inattendues qui conduisent à la formation de structures topologiques polaires jusqu'alors inconnues.

"En tant que cas particulier, nous avons trouvé certains matériaux nématiques ferroélectriques avec une anisotropie de forme relativement faible mais une polarité élevée pouvant passer directement du liquide isotrope à la phase nématique ferroélectrique en 2020", a expliqué Aya. "Cela nous a permis de générer spontanément des gouttelettes nématiques ferroélectriques flottant dans le fond liquide isotrope. Le confinement spatial conduit à plusieurs textures topologiques polaires uniques, certaines connues sous le nom de mérons polaires, dont la formation a été attribuée comme étant principalement due aux interactions polaires dans les fluides ferroélectriques. "

La phase précédemment découverte par Aya est pilotée par une élasticité de Frank conventionnelle, ainsi que par la flexoélectricité et l'effet de champ de dépolarisation. Cette découverte intéressante les a incités à explorer davantage la compétition entre les interactions polaires et l'élasticité des cristaux liquides dans la phase.

"Dans notre récente étude, nous avions initialement pour objectif de comprendre comment la chiralité serait couplée à l'effet de champ de flexoélectricité et de dépolarisation", a déclaré Aya. "Par conséquent, nous avons dopé des dopants chiraux dans la molécule nématique ferroélectrique utilisée dans l'un de nos précédents articles publiés dans Nature Communications. . Bien sûr, au début, nous ne nous attendions pas à ce qu'une texture aussi belle et sans précédent apparaisse."

Dans leur étude récente, Aya et ses collègues ont utilisé deux techniques expérimentales principales. Premièrement, ils ont utilisé une microscopie interférométrique à génération de seconde harmonique, exploitant une réponse optique non linéaire qui apparaît dans les systèmes où la symétrie d'inversion est rompue.

Cette première méthode leur a permis de visualiser le champ d'orientation polaire dans leur échantillon. Par la suite, les chercheurs ont utilisé une technique appelée microscopie à fluorescence polarisée pour vérifier le champ d'orientation obtenu par microscopie interférométrique à génération de seconde harmonique.

"La microscopie interférométrique et la microscopie à fluorescence polarisée sont des méthodes complémentaires", a expliqué Aya. "Alors que le premier sonde le champ d'orientation (polaire) inéquivalent tête-bêche, le second capture le champ d'orientation (non polaire) équivalent tête-bêche."

Dans l’ensemble, Aya et ses collaborateurs ont recueilli des observations très intéressantes. Premièrement, ils ont montré que contrairement aux matériaux ferroélectriques à base de cristaux, dans lesquels seules une ou deux interactions polaires fortes dominent et entrent en compétition avec la déformation du réseau, les fluides ferroélectriques équilibrent les interactions avec une bien plus grande liberté.

"Cet équilibre délicat peut conduire plusieurs influenceurs à déterminer les détails topologiques", a déclaré Aya. "Par exemple, en termes simples résumant le cas actuel, la compétition entre chiralité et confinement détermine si un champ dans le plan et sans torsion est favorisé ; la flexoélectricité détermine où les parois de domaine doivent être générées ; et enfin, le champ de dépolarisation dicte quel type d'orientation polaire. Le champ doit être généré autour des murs du domaine."

Le processus physique observé par Aya et ses collègues comporte plusieurs étapes, au cours desquelles différentes interactions contribuent aux détails de la topologie finale des matériaux. Leurs résultats suggèrent que des combinaisons d’interactions polaires et de cristaux liquides de différentes amplitudes pourraient conduire à une gamme diversifiée de topologies polaires inconnues. En s'appuyant sur ces connaissances, les chercheurs pourraient bientôt se lancer dans l'observation de nouvelles topologies polaires, en concevant des molécules ayant différentes formes et propriétés polaires.

"La deuxième implication clé de nos découvertes est que le champ de dépolarisation est un facteur vital qui affecte la dynamique induite par le champ électrique dans les fluides ferroélectriques confinés", a déclaré Aya. "Ce message est très important. Imaginez que vous ayez maintenant un alignement uniforme du champ d'orientation polaire dans une direction particulière dans l'espace libre. Si l'on applique un champ électrique continu antiparallèle à la polarisation, il est facile de s'attendre à ce que le champ de polarisation se réoriente. à la direction du champ, comme l'a vérifié le groupe UC Boulder sur les nématiques ferroélectriques en 2020.

"Nous avons constaté que ce scénario ne s'applique pas aux nématiques confinés. Un travail similaire, mais avec un processus légèrement différent, a également été publié un an avant notre publication."

Aya et ses collaborateurs ont découvert que la structure topologique observée par le groupe de l'UC Boulder ne s'applique pas aux nématiques confinés, où des champs de dépolarisation non triviaux peuvent se développer via des champs d'orientation polaire spatiale complexes. Dans la phase qu'ils ont observée, la charge d'espace due à la déformation évasée du champ d'orientation et la charge interracial créée sur les interfaces ou les singularités d'orientation proches agissent comme la source des champs de dépolarisation.

"D'une part, il faut se rendre compte de ce problème lorsqu'ils font des expériences utilisant des fluides ferroélectriques, en particulier lorsqu'ils veulent juger dans quelle direction la polarisation s'oriente en utilisant un champ électrique (comme l'a fait le groupe Boulder)", a déclaré Aya. "D'un autre côté, d'un point de vue naïf, je suppose que le champ de dépolarisation non trivial peut également être considéré comme un outil permettant de générer des modèles de polarisation complexes (donc ingénierie topologique ou commutation topologique) qui seraient impossibles en utilisant des électrodes complexes."

Ces travaux récents d'Aya et de ses collaborateurs pourraient bientôt ouvrir la voie à d'autres études portant sur la topologie polaire toroïdale pilotée par les interactions polaires qu'ils ont découverte. En outre, cela pourrait ouvrir de nouvelles opportunités pour le développement de dispositifs optoélectroniques commutables ferroélectriques à matière liquide.

"Bien sûr, il n'est pas facile de faire la lumière sur le mécanisme à l'origine de la formation de topologies uniques uniquement du point de vue expérimental", a déclaré Aya. "Dans cette perspective, parallèlement au développement de nouvelles molécules avec différents équilibres d'interactions mentionnés ci-dessus, nous travaillerons et avons travaillé sur le développement d'un contexte théorique pour les fluides nématiques polaires et sur l'exploration de nouvelles topologies polaires en ajustant l'équilibre entre les interactions polaires et les cristaux liquides. , la conception de réseaux topologiques polaires vers des ferroélectriques topologiques est également très difficile."

Dans certaines de leurs études précédentes, les chercheurs ont montré qu'un champ d'orientation polaire complexe constitue une caractéristique avantageuse pour la réalisation de systèmes présentant une amplification optique non linéaire connue sous le nom d'adaptation de phase. Dans le cadre de leurs recherches futures, ils aimeraient s'appuyer sur leurs découvertes pour faciliter le développement potentiel de ces systèmes.

"L'ingénierie de polarisation dans les ferroélectriques à base de cristaux est connue pour être très difficile", a ajouté Aya. "Ainsi, développer une ingénierie de polarisation auparavant impossible dans les fluides polaires et permettre ainsi la fabrication de dispositifs optiques non linéaires hautement efficaces sera l'un de nos objectifs de suivi."