Un nuevo estudio en Nature Communications investiga la sintonización eléctrica del flujo de luz ramificado en películas de cristal líquido nemático (NLC), revelando patrones controlados y características estadísticas con aplicaciones potenciales en óptica y fotónica.
El flujo de luz ramificado se manifiesta como patrones intrincados en ondas de luz que navegan a través de un medio desordenado, formando múltiples vías ramificadas.
Situado entre los fenómenos de transporte balístico y difusivo (donde el balístico implica un movimiento en línea recta sin obstáculos, similar a un rayo láser, y el difusivo implica un comportamiento caótico y disperso), el fenómeno gana importancia por su potencial para controlar los procesos físicos, en particular la óptica y la fotónica. P>
Al actuar como un estado de transición entre la propagación de la luz ordenada y desordenada, proporciona una plataforma para una dirección de la luz compleja y controlada.
Esta manipulación se convierte en un punto focal en un estudio realizado por el Dr. Jin-hui Chen de la Universidad de Xiamen en China y el Dr. Jian-Hua Jiang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, donde exploran específicamente la sintonización eléctrica del flujo de luz ramificado. dentro de las películas NLC.
"Debido a su naturaleza errática y su rico comportamiento, la manipulación de flujos ramificados de manera controlable nunca se ha realizado en experimentos. Descubrimos que las películas de cristal líquido desordenadas con efecto electroóptico proporcionan una excelente plataforma para la generación y regulación de flujos ramificados de luz", dijo el Dr. Chen a Phys.org.
"Durante mi visita al Prof. Chen en la Universidad de Xiamen, él estaba investigando el flujo ramificado de luz en cristales líquidos. Reconociendo la importancia de los defectos topológicos en este contexto, entendí que su estabilidad bajo campos eléctricos contribuye a la estabilidad del sistema, permitiendo la repetición encendido y apagado del flujo luminoso ramificado", añadió el Dr. Jiang.
Los cristales líquidos muestran características tanto de estado fluido como sólido. Sus moléculas pueden fluir como un líquido manteniendo cierto grado de orden similar al de un sólido. Este comportamiento distintivo surge del delicado equilibrio entre las fuerzas intermoleculares y la energía térmica.
Los investigadores se centraron en particular en el comportamiento de NLC. Los cristales líquidos nemáticos se caracterizan por la alineación de sus moléculas en una dirección específica, creando un orden distinto dentro del material. Esta alineación es sensible a factores externos, como los campos eléctricos.
La sintonización eléctrica del flujo de luz ramificado dentro de las películas NLC implica manipular la orientación de estas moléculas de cristal líquido. Cuando se aplica un campo eléctrico, se induce una reorientación de las moléculas, alterando las propiedades de la película de NLC. Este proceso es crucial para generar y regular los intrincados patrones del flujo de luz ramificado.
Los defectos topológicos en la película NLC desempeñan un doble papel en este fenómeno.
El Dr. Chen explicó:"En primer lugar, contribuyen a la formación espontánea de patrones estructurados llamados texturas Schlieren, resultantes de orientaciones desordenadas de las moléculas de NLC y de una anisotropía dieléctrica desigual. Esto actúa como un potencial débil y desordenado para la propagación de la luz".
"En segundo lugar, bajo una pequeña tensión eléctrica, la reorientación de las moléculas de cristal líquido se produce sin alterar las texturas schlieren. La robustez de los defectos topológicos, posiblemente fijados por fuerzas superficiales en la interfaz, garantiza una buena recuperabilidad del flujo ramificado generado por las ondas de luz en la sistema."
Los investigadores emplearon una meticulosa configuración experimental para investigar la sintonización eléctrica del flujo de luz ramificado en películas NLC. Una etapa de traducción tridimensional de alta precisión permitió una sintonización precisa del acoplamiento de luz en la película NLC.
Esto implicó manipular el campo polarizado de un láser de 532 nm con un polarizador y una placa de media onda. Las observaciones del flujo de luz fueron facilitadas por un microscopio con una lente objetivo de 10x y una cámara óptica recogió la luz intrínseca dispersada por la película NLC.
Además, los investigadores utilizaron simulaciones para explorar las orientaciones del cristal líquido en respuesta al campo eléctrico de control.
Uno de los hallazgos más sorprendentes de los investigadores fue la solidez de los defectos topológicos que fijaban las texturas schlieren en el cristal líquido y, por tanto, los patrones de dispersión de la luz.
El Dr. Jiang explicó:"Incluso con un voltaje eléctrico notable que inclina mucho la orientación de las moléculas de cristal líquido, después de desconectar el voltaje eléctrico, los defectos topológicos se recuperan, al igual que las texturas schlieren".
"Esto permite la sintonización eléctrica (encendido y apagado) de los potenciales de dispersión y el flujo de luz ramificado puede repetirse muchas veces. Esto realmente supera nuestras expectativas. Nos dice cuán estables son los defectos topológicos en los cristales líquidos".
Una observación digna de mención fue la variación en el índice de centelleo, una propiedad estadística crucial del flujo ramificado, con cambios en la polarización de la luz de entrada, señaló el Dr. Chen. Esta dependencia de la polarización, antes inalcanzable en otras plataformas, agregó una capa adicional de complejidad y control al flujo de luz ramificado generado en la película NLC.
Además de los defectos topológicos y la relación entre el índice de centelleo y la polarización, un tercer factor tenía importancia:la longitud de correlación del potencial desordenado, una medida de cuán estructurado u ordenado está el desorden dentro del material, en relación con la longitud de onda de propagando la luz.
La longitud de correlación del potencial desordenado debe ser mayor que la longitud de onda de la luz que se propaga para que aparezca un flujo ramificado. Una longitud de correlación mayor implica un patrón de desorden más extendido y coherente.
"Debido a la solidez de los defectos topológicos, las texturas schlieren y el potencial de dispersión son bastante coherentes. Estos factores hacen que todo sea controlable y nos permiten demostrar la hermosa sintonía del flujo de luz ramificado", explicó el Dr. Jiang.
Al explicar las posibles aplicaciones y el trabajo futuro, el Dr. Chen dijo:"Los cristales líquidos pueden crear superestructuras jerárquicas programables para interacciones entre la luz y la materia, mostrando una alta sensibilidad a los campos externos".
"Las futuras investigaciones de nuestro grupo profundizarán en la interacción de la luz con sistemas de cristal líquido desordenados, explorando configuraciones de transporte dentro y fuera del plano con aplicaciones potenciales como redes neuronales ópticas".
Desde una perspectiva tecnológica, el Dr. Jiang señaló que este fenómeno podría mejorarse mediante la manipulación de haces de luz. "La sintonización eléctrica es bastante prometedora para el funcionamiento de los dispositivos. Por ejemplo, puede usarse como interruptor para sensores o detectores cuando se conecta a la película de cristal líquido", concluyó.
Más información: Shan-shan Chang et al, Sintonización eléctrica del flujo de luz ramificado, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44500-8
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
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