Investigadores de la Universidad Tecnológica del Sur de China en China demostraron recientemente que este no es siempre el caso, al examinar la topología de un estado ferroeléctrico emergente de materia líquida con hélices polarizadas, conocido como "estado nemático helieléctrico". Sus hallazgos, publicados en Nature Physics , muestran que este estado tiene una topología polar toroidal espontánea generada a través de un efecto flexoeléctrico que favorece una forma específica de deformación extendida de las polarizaciones.

Si bien la ferroelectricidad en la fase nemática fue una hipótesis durante décadas, solo fue demostrada experimentalmente en 2020 por un grupo de investigación de la Universidad de Colorado Boulder. Este equipo observó con éxito esta elusiva fase de cristal líquido en RM734, un compuesto químico sintetizado por un grupo de investigación de la Universidad de Leeds en 2017.

"En colaboración con el químico Prof. Huang, nuestro grupo comenzó a diseñar materiales de cristal líquido altamente polares y fluídicos y a comprender sus relaciones estructura-propiedad en 2019, que aún debían establecerse en niveles fundamentales", Satoshi Aya, autor correspondiente de el artículo actual en Nature Physics , dijo a Phys.org. "Nos basamos en los trabajos pioneros de Mandle y Goodby (molécula RM734) y un grupo japonés de la Universidad de Kyushu dirigido por el profesor Kikuchi (molécula DIO). En particular, tanto RM734 como DIO se encontraron en 2017, casi al mismo tiempo".

Hasta hace poco, Aya y sus colaboradores han estado compilando una biblioteca molecular que contiene varios materiales nemáticos ferroeléctricos y nuevos materiales de cristal líquido polar. Al analizar los materiales de esta biblioteca, que ahora incluye aproximadamente entre 300 y 400 materiales, pudieron identificar fases polares y transiciones de fase inesperadas que conducen a la formación de estructuras topológicas polares previamente desconocidas.

"Como caso particular, encontramos algunos materiales nemáticos ferroeléctricos con una anisotropía de forma relativamente baja pero una polaridad alta que puede pasar directamente del líquido isotrópico a la fase nemática ferroeléctrica en 2020", explicó Aya. "Esto nos permitió generar espontáneamente gotas nemáticas ferroeléctricas que flotan en el fondo líquido isotrópico. El confinamiento espacial conduce a varias texturas topológicas polares únicas, algunas conocidas como merones polares, cuya formación se atribuyó a estar impulsada principalmente por interacciones polares en los fluidos ferroeléctricos. "

La fase previamente descubierta por Aya está impulsada por una elasticidad de Frank convencional, así como por flexoelectricidad y efecto de campo de despolarización. Este interesante descubrimiento los inspiró a explorar más a fondo la competencia entre las interacciones polares y la elasticidad del cristal líquido en la fase.

"En nuestro estudio reciente, inicialmente nuestro objetivo era comprender cómo se combinaría la quiralidad con el efecto de campo de flexoelectricidad y despolarización", dijo Aya. "Por lo tanto, dopamos dopantes quirales en la molécula nemática ferroeléctrica utilizada en uno de nuestros artículos anteriores publicado en Nature Communications. . Por supuesto, al principio no esperábamos que apareciera una textura tan hermosa y sin precedentes."

En su estudio reciente, Aya y sus colegas emplearon dos técnicas experimentales principales. En primer lugar, utilizaron una microscopía interferométrica de segunda generación armónica, aprovechando una respuesta óptica no lineal que surge en sistemas donde se rompe la simetría de inversión.

Este primer método les permitió visualizar el campo de orientación polar en su muestra. Posteriormente, los investigadores utilizaron una técnica llamada microscopía fluorescente polarizada para verificar dos veces el campo de orientación obtenido mediante microscopía interferométrica de segunda generación armónica.

"La microscopía interferométrica y la microscopía fluorescente polarizada son métodos complementarios", explicó Aya. "Mientras que el primero explora el campo de orientación no equivalente (polar) de cabeza a cola, el segundo captura el campo de orientación equivalente (no polar) de cabeza a cola".

En general, Aya y sus colaboradores reunieron observaciones muy interesantes. En primer lugar, demostraron que, a diferencia de los materiales ferroeléctricos basados ​​en cristales, en los que sólo una o dos interacciones polares fuertes dominan y compiten con la tensión de la red, los fluidos ferroeléctricos equilibran las interacciones con mucha mayor libertad.

"Este delicado equilibrio puede llevar a que múltiples personas influyentes determinen los detalles topológicos", dijo Aya. "Por ejemplo, en palabras simples que resumen el caso actual, la competencia entre quiralidad y confinamiento juzga si se favorece un campo en el plano y no torcido; la flexoelectricidad determina dónde se deben generar las paredes de dominio; y finalmente, el campo de despolarización dicta qué tipo de orientación polar El campo debe generarse alrededor de las paredes del dominio."

El proceso físico observado por Aya y sus colegas tiene varias etapas, en las que diferentes interacciones contribuyen a los detalles de la topología final de los materiales. Sus hallazgos sugieren que las combinaciones de interacciones de cristales líquidos y polares con diferentes magnitudes podrían conducir a una amplia gama de topologías polares desconocidas. A partir de esta información, los investigadores pronto podrían dedicarse a observar nuevas topologías polares, diseñando moléculas con diferentes formas y propiedades polares.

"La segunda implicación clave de nuestros hallazgos es que el campo de despolarización es un factor vital que afecta la dinámica impulsada por el campo eléctrico en fluidos ferroeléctricos confinados", dijo Aya. "Este mensaje es muy importante. Imagine que ahora tiene una alineación uniforme del campo de orientación polar en una dirección particular en el espacio libre. Si se aplica un campo eléctrico de CC antiparalelo a la polarización, es fácil esperar que el campo de polarización se reoriente a la dirección del campo, según lo verificado por el grupo de UC Boulder sobre nemática ferroeléctrica en 2020.

"Descubrimos que este escenario no se aplica a la nemática confinada. Un año antes de nuestra publicación también se publicó un trabajo similar, pero con un proceso ligeramente diferente."

Aya y sus colaboradores descubrieron que la estructura topológica observada por el grupo de la UC Boulder no se aplica a la nemática confinada, donde pueden desarrollarse campos de despolarización no triviales a través de campos complejos de orientación polar espacial. En la fase que observaron, tanto la carga espacial debida a la deformación del campo de orientación como la carga interracial creada en interfaces o singularidades de orientación cercanas actúan como fuente de los campos de despolarización.

"Por un lado, uno tiene que darse cuenta de este asunto cuando hacen experimentos usando fluidos ferroeléctricos, especialmente cuando quieren juzgar en qué dirección se orienta la polarización usando un campo eléctrico (como lo hizo el grupo de Boulder)", dijo Aya. "Por otro lado, desde una perspectiva ingenua, supongo que el campo de despolarización no trivial también puede considerarse como una herramienta para generar patrones de polarización complejos (es decir, ingeniería topológica o conmutación topológica) que serían imposibles mediante el uso de electrodos complejos".

Este trabajo reciente de Aya y sus colaboradores pronto podría allanar el camino para futuros estudios que investiguen la topología polar toroidal impulsada por la interacción polar que descubrieron. Además, podría abrir nuevas oportunidades para el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos ferroeléctricos de materia líquida conmutables.

"Por supuesto, no es fácil arrojar luz sobre el mecanismo que funciona detrás de la formación de topologías únicas sólo desde el lado experimental", dijo Aya. "En esta perspectiva, además de desarrollar nuevas moléculas con diferentes equilibrios de interacciones mencionados anteriormente, trabajaremos y hemos estado trabajando en el desarrollo de una base teórica para los fluidos nemáticos polares y la exploración de nuevas topologías polares ajustando el equilibrio entre las interacciones polares y de cristal líquido. Además , diseñar redes topológicas polares hacia ferroeléctricos topológicos también es un gran desafío."

En algunos de sus estudios anteriores, los investigadores demostraron que un campo de orientación polar complejo es una característica ventajosa para la realización de sistemas que exhiben una amplificación óptica no lineal conocida como coincidencia de fase. Como parte de su futura investigación, les gustaría aprovechar sus hallazgos para facilitar el desarrollo potencial de estos sistemas.

"Se sabe que la ingeniería de polarización en ferroeléctricos basados ​​en cristales es muy difícil", añadió Aya. "Por lo tanto, desarrollar una ingeniería de polarización en fluidos polares que antes era imposible y, por lo tanto, permitir la fabricación de dispositivos ópticos no lineales altamente eficientes será uno de nuestros objetivos a seguir".