Strukturiranje domen in topoloških defektov v feroelektričnih nematičnih tekočinah

Nedavno odkriti feroelektrični nematski tekoči kristali (FNLC) so edinstveni primeri tekočih materialov. Zaradi kombinacije nizke simetrije, specifične topologije in sklopitve med spontano polarizacijo in nematskim parametrom reda so zelo zanimivi za temeljne študije unikatnih pojavov in topologije teh kompleksnih tekočin. Poleg tega so zaradi znatne spontane polarizacije (0,05 As/m), velike efektivna dielektrične konstanea (>10000) in nelinearnih optičnih koeficientov (1-10 pV/m) v kombinaciji z nematsko preklopljivostjo zelo obetavni za aplikacije, npr. v nelinearni optiki ali organski elektroniki. Njihova tekoča narava se kaže v edinstvenih feroelektričnih domenskih strukturah, katerih sestavni deli so topološki defekti in za študije temeljnih lastnosti in izkoriščanja FNLC v napravah je potreben natančen in ponovljiv nadzor teh struktur. V tem temeljnem projektu nameravamo združiti eksperimentalne in teoretične študije, da bi s poglobljenim temeljnim razumevanjem sistema dosegli učinkovito kontrolo nad formiranjem in oblikovanjem feroelektričnih domen in topoloških defektov. Izkoristili bomo izvirni princip, ki smo ga predlagali in pokazali v našem predhodnem delu, da lahko v FNLC za določitev orientacije polarizacije uporabimo deformacijo nematske orientacije, ki jo povzroči nehomogeno površinsko sidranje. Naš prvi cilj je identificirati in realizirati kompleksne površinske vzorce, ki inducirajo dobro definirane feroelektrične domenske strukture. Z neprestano povratno izmenjavo informacij med eksperimentalnimi in teoretičnimi študijami bomo razvili mezoskopski kontinuumni model feroelektrične nematske faze in njene interakcije s površino. Model bo služil kot temelj za načrtovanje kompleksnejših domenskih struktur, za realizacijo različnih topoloških defektov ter za kombinirano teoretično in eksperimentalno študijo odziva materiala na električna polja. Eden največjih potencialov feroelektričnih nematskih tekočin je njihov edinstveno močan nelinearni optični odziv, na primer generacija svetlobe s podvojeno frekvenco (SHG). SHG slikanje bomo uporabili za študije domen in topoloških defektov. Ker pa sta ustvarjanje in širjenje svetlobe s podvojeno frekvenco v nehomogenih dvolomnih strukturah zapletena, bomo razvili numerično orodje za izračun SHG slik poljubnih nehomogenih struktur z defekti, ki trenutno ni na voljo, vendar je bistveno za prihodnje načrtovanje nelinearnih optičnih elementov. Poseben izziv predstavlja tudi vloga topologije v sistemu, ki ga opisujeta dve polji (nematsko tenzorsko polje in polarizacijsko vektorsko polje), in za katerega je znano, da lahko nudi poenoten vpogled v strukturo in lastnosti materiala. Načrtujemo razvoj teoretičnega formalizma za opis in razvrščanje defektov v feroelektričnih nematskih tekočinah. Z njim bomo dobili intuicijo o fenomenološkem obnašanju materialov v različnih geometrijah in služil bo kot osnova za interpretacijo eksperimentalnih in numerično opaženih defektov. Poleg tega bomo znanje, pridobljeno pri uresničevanju začetnih ciljev projekta, izkoristili za ustvarjanje in premikanje topoloških defektov s površinskimi vzorci in/ali električnimi polji ter posledično za dosegli aktivni nadzor nad domenskimi strukturami. Projekt bodo izvedli člani skupine Svetloba in snov iz Instituta Jožef Stefan, ki so strokovnjaki za eksperimentalne študije polarnih mehkih materialov in so sodelovali pri odkrivanju in eksperimentalnih študijah feroelektričnih nematskih tekočin, ter teoretični fiziki iz skupine za fizike mehke in delno urejene snovi na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, ki so strokovnjaki za teoretično modeliranje kompleksnih sistemov mehke snovi in njihovo topologijo.