Une nouvelle étude dans Nature Communications étudie le réglage électrique du flux lumineux ramifié dans les films à cristaux liquides nématiques (NLC), révélant des modèles contrôlés et des caractéristiques statistiques avec des applications potentielles en optique et photonique.
Le flux lumineux ramifié se manifeste sous la forme de motifs complexes d'ondes lumineuses naviguant à travers un milieu désordonné, formant de multiples voies de ramification.
Situé entre les phénomènes de transport balistique et diffusif (où balistique implique un mouvement en ligne droite sans entrave semblable à un faisceau laser, et diffusif implique un comportement dispersé et chaotique), le phénomène gagne en importance pour son potentiel de contrôle des processus physiques, en particulier l'optique et la photonique. P>
Agissant comme un état de transition entre la propagation ordonnée et désordonnée de la lumière, il fournit une plate-forme pour un pilotage de la lumière contrôlé et complexe.
Cette manipulation devient le point central d'une étude menée par le Dr Jin-hui Chen de l'Université de Xiamen en Chine et le Dr Jian-Hua Jiang de l'Université des sciences et technologies de Chine, où ils explorent spécifiquement le réglage électrique du flux lumineux ramifié. dans les films NLC.
"En raison de leur nature erratique et de leurs comportements riches, la manipulation des flux ramifiés de manière contrôlable n'a jamais été réalisée expérimentalement. Nous constatons que les films de cristaux liquides désordonnés à effet électro-optique constituent une excellente plate-forme pour la génération et la régulation de flux ramifiés de lumière", a déclaré le Dr Chen à Phys.org.
"Lors de ma visite au professeur Chen à l'Université de Xiamen, il étudiait le flux ramifié de lumière dans les cristaux liquides. Reconnaissant l'importance des défauts topologiques dans ce contexte, j'ai compris que leur stabilité sous des champs électriques contribue à la stabilité du système, permettant la répétition commutation marche/arrêt du flux lumineux ramifié", a ajouté le Dr Jiang.
Les cristaux liquides présentent les caractéristiques des états fluides et solides. Leurs molécules peuvent circuler comme un liquide tout en conservant un certain degré d’ordre semblable à celui d’un solide. Ce comportement distinctif résulte de l'équilibre délicat entre les forces intermoléculaires et l'énergie thermique.
Les chercheurs se sont particulièrement concentrés sur le comportement des NLC. Les cristaux liquides nématiques se caractérisent par l’alignement de leurs molécules dans une direction spécifique, créant un ordre distinct au sein du matériau. Cet alignement est sensible aux facteurs externes, tels que les champs électriques.
Le réglage électrique du flux lumineux ramifié dans les films NLC implique la manipulation de l'orientation de ces molécules de cristaux liquides. Lorsqu'un champ électrique est appliqué, il induit une réorientation des molécules, modifiant les propriétés du film NLC. Ce processus est crucial pour générer et réguler les modèles complexes de flux lumineux ramifié.
Les défauts topologiques du film NLC jouent un double rôle dans le phénomène.
Le Dr Chen a expliqué :"Premièrement, ils contribuent à la formation spontanée de motifs structurés appelés textures schlieren, résultant d'orientations désordonnées des molécules NLC et d'une anisotropie diélectrique inégale. Cela agit comme un faible potentiel désordonné de propagation de la lumière."
"Deuxièmement, sous une faible tension électrique, la réorientation des molécules de cristaux liquides se produit sans perturber les textures schlieren. La robustesse des défauts topologiques, éventuellement bloqués par les forces de surface à l'interface, assure une bonne récupération du flux ramifié généré par les ondes lumineuses dans le système."
Les chercheurs ont utilisé une configuration expérimentale méticuleuse pour étudier le réglage électrique du flux lumineux ramifié dans les films NLC. Une étape de traduction tridimensionnelle de haute précision a permis un réglage précis du couplage de la lumière dans le film NLC.
Cela impliquait de manipuler le champ polarisé d'un laser de 532 nm avec un polariseur et une lame demi-onde. Les observations du flux lumineux ont été facilitées par un microscope doté d'un objectif 10x et une caméra optique collectant la diffusion intrinsèque de la lumière du film NLC.
De plus, les chercheurs ont utilisé des simulations pour explorer les orientations des cristaux liquides en réponse au champ électrique de déclenchement (de contrôle).
L'une des découvertes les plus surprenantes des chercheurs a été la robustesse des défauts topologiques qui fixaient les textures schlieren dans les cristaux liquides et, par conséquent, les modèles de diffusion de la lumière.
Le Dr Jiang a expliqué :"Même avec une tension électrique notable qui incline beaucoup l'orientation des molécules de cristaux liquides, après avoir coupé la tension électrique, les défauts topologiques sont récupérés, tout comme les textures schlieren."
"Cela permet le réglage électrique (activation et désactivation) des potentiels de diffusion, et le flux de lumière ramifié peut être répété plusieurs fois. C'est vraiment hors de nos attentes. Cela nous indique la stabilité des défauts topologiques des cristaux liquides. "
Une observation remarquable a été la variation de l'indice de scintillation, une propriété statistique cruciale du flux ramifié, avec des changements dans la polarisation de la lumière d'entrée, a noté le Dr Chen. Cette dépendance à la polarisation, auparavant irréalisable sur d'autres plates-formes, a ajouté une couche supplémentaire de complexité et de contrôle au flux lumineux ramifié généré dans le film NLC.
Outre les défauts topologiques et la relation entre l'indice de scintillation et la polarisation, un troisième facteur était important :la longueur de corrélation du potentiel désordonné, une mesure de la façon dont le désordre est structuré ou ordonné dans le matériau, en relation avec la longueur d'onde de propagation de la lumière.
La longueur de corrélation du potentiel désordonné doit être supérieure à la longueur d’onde de la lumière qui se propage pour l’apparition d’un flux ramifié. Une longueur de corrélation plus grande implique un modèle de désordre plus étendu et plus cohérent.
"En raison de la robustesse des défauts topologiques, les textures schlieren et le potentiel de diffusion sont tout à fait cohérents. Ces facteurs rendent tout contrôlable et nous permettent de démontrer le bel ajustement du flux de lumière ramifié", a expliqué le Dr Jiang.
Expliquant les applications potentielles et les travaux futurs, le Dr Chen a déclaré :« Les cristaux liquides peuvent créer des superstructures hiérarchiques programmables pour les interactions lumière-matière, montrant une grande sensibilité aux champs externes. »
"Les futures recherches de notre groupe se pencheront sur l'interaction de la lumière avec les systèmes de cristaux liquides désordonnés, en explorant les configurations de transport dans le plan et hors du plan avec des applications potentielles telles que les réseaux de neurones optiques."
D'un point de vue technologique, le Dr Jiang a souligné que ce phénomène pourrait être amélioré lors de la manipulation des faisceaux lumineux. "Le réglage électrique est très prometteur pour le fonctionnement des appareils. Par exemple, il peut être utilisé comme interrupteur pour des capteurs ou des détecteurs lorsqu'il est relié au film à cristaux liquides", a-t-il conclu.
Plus d'informations : Shan-shan Chang et al, Réglage électrique du flux de lumière ramifié, Nature Communications (2024). DOI : 10.1038/s41467-023-44500-8
Informations sur le journal : Communications naturelles
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