《自然通讯》的一项新研究调查了向列液晶(NLC)薄膜中分支光流的电调谐，揭示了受控模式和统计特性以及在光学和光子学中的潜在应用。

从无序到设计探索液晶薄膜中分支流的电调谐

分支光流表现为光波在无序介质中传播的复杂模式，形成多个分支路径。

位于弹道传输现象和扩散传输现象之间(其中弹道传输意味着类似于激光束的不受阻碍的直线运动，而扩散则涉及分散的混沌行为)，这种现象因其在控制物理过程(特别是光学和光子学)方面的潜力而具有重要意义。

作为有序和无序光传播之间的过渡状态，它为受控和复杂的光转向提供了一个平台。

这种操纵成为中国厦门大学的陈金辉博士和中国科学技术大学的姜建华博士进行的一项研究的焦点，他们专门探索了分支光流的电调谐在国家图书馆电影中。

“由于其不稳定的性质和丰富的行为，以可控方式操纵分支流从未在实验中实现。我们发现具有电光效应的无序液晶薄膜为分支流的产生和调节提供了一个极好的平台。光，”陈博士告诉Phys.org。

“在我拜访厦门大学的陈教授期间，他正在研究液晶中的光分支流。认识到拓扑缺陷在这方面的重要性，我了解到它们在电场下的稳定性有助于系统稳定性，从而允许可重复的分支光流的开关切换，”姜博士补充道。

NLC中的拓扑缺陷

液晶显示出液态和固态的特性。它们的分子可以像液体一样流动，同时保持一定程度的类似于固体的有序性。这种独特的行为源于分子间力和热能之间的微妙平衡。

研究人员特别关注NLC的行为。向列液晶的特点是其分子沿特定方向排列，从而在材料内形成独特的顺序。这种排列对外部因素(例如电场)敏感。

NLC薄膜内分支光流的电调谐涉及操纵这些液晶分子的方向。当施加电场时，它会引起分子重新定向，从而改变NLC薄膜的特性。这个过程对于生成和调节复杂的分支光流模式至关重要。

NLC薄膜中的拓扑缺陷在这一现象中发挥着双重作用。

陈博士解释说：“首先，它们有助于自发形成称为纹影纹理的结构化图案，这是由NLC分子的无序取向和不均匀的介电各向异性造成的。这充当了传播光的弱无序势。”

“其次，在小电压下，液晶分子会发生重新取向，而不会破坏纹影纹理。拓扑缺陷的鲁棒性(可能由界面处的表面力固定)确保了光波产生的分支流的良好可恢复性。系统。”

观察NLC薄膜中的分支光流

研究人员采用了细致的实验装置来研究NLC薄膜中分支光流的电调谐。高精度三维平移台可以精确调节耦合到NLC薄膜的光。

这涉及到用偏振器和半波片操纵532nm激光的偏振场。通过配备10倍物镜的显微镜和光学相机收集NLC薄膜的固有光散射，可以方便地观察光流。

此外，研究人员还利用模拟来探索液晶取向对选通(控制)电场的响应。

研究人员最令人惊讶的发现之一是拓扑缺陷的稳健性，这些拓扑缺陷将纹影纹理固定在液晶中，从而固定了光散射图案。

江博士解释说：“即使有显着的电压使液晶分子的方向倾斜很大，但在关闭电压后，拓扑缺陷会恢复，纹影纹理也会恢复。”

“这使得能够对散射势进行电调谐(打开和关闭)，并且光的分支流动可以重复多次。这确实出乎意料。它告诉我们液晶中的拓扑缺陷有多稳定。”

陈博士指出，一个值得注意的观察结果是闪烁指数的变化，闪烁指数是分支流的一个重要统计特性，随着输入光偏振的变化而变化。这种偏振依赖性以前在其他平台中无法实现，为NLC薄膜中生成的分支光流增加了额外的复杂性和控制层。

除了拓扑缺陷以及闪烁指数和偏振之间的关系之外，第三个因素也很重要：无序电势的相关长度，衡量材料内无序结构或有序程度的指标，与波长相关。传播光。

为了出现分支流，无序势的相关长度必须大于传播光的波长。相关长度越大意味着无序模式越扩展、越连贯。

“由于拓扑缺陷的鲁棒性，纹影纹理和散射势非常一致。这些因素使一切都是可控的，使我们能够展示分支光流的美丽调谐，”姜博士解释道。

光神经网络和传感器

在解释潜在的应用和未来的工作时，陈博士说：“液晶可以创建用于光与物质相互作用的可编程分层上层结构，表现出对外部场的高敏感性。”

“我们小组未来的研究将深入研究光与无序液晶系统的相互作用，探索面内和面外传输配置以及光学神经网络等潜在应用。”

从技术角度来看，姜博士指出，通过操纵光束可以增强这种现象。“电调谐对于设备操作来说非常有前途。例如，当与液晶薄膜连接时，它可以用作传感器或探测器的开关，”他总结道。