Группа исследователей совершила прорывное открытие, продемонстрировавшее, что ахиральные твердые частицы бананообразной формы способны к спонтанной самоорганизации в экзотические структуры, такие как скирмионы и фазы Blue Phase III. Это открытие открывает захватывающие перспективы в области создания передовых материалов для фотоники и устройств памяти нового поколения.
Скирмионы представляют собой крошечные вихреподобные структуры, ранее обнаруженные в конденсированных средах, таких как геликальные ферромагнетики и жидкие кристаллы. Они обладают топологической защитой, что делает их крайне устойчивыми и перспективными для использования в технологиях хранения и обработки информации. Кроме того, было обнаружено образование фаз Blue Phase III, аморфной фазы жидких кристаллов, характеризующейся выраженной оптической активностью и трехмерной сетью хиральных скирмионных нитей. Примечательно, что все эти сложные структуры возникают из ахиральных частиц, то есть частиц, которые можно совместить со своим зеркальным отражением.
Традиционно скирмионы возникают в результате хиральных взаимодействий – молекулярных взаимодействий между молекулами, обладающими хиральностью. Хиральность, в свою очередь, означает, что молекула не может быть совмещена со своим зеркальным изображением. Концепция скирмионов была впервые введена британским физиком Тони Скирмом в 1961 году. Изначально разработанная для ядерной физики, модель скирмионов оказалась полезной для объяснения сложных структур, наблюдаемых в конденсированных средах. В геликальных ферромагнетиках скирмионы принимают хиральную спиновую структуру со спиральной конфигурацией.
Важнейшим свойством скирмионов является их топологическая защита. Топологические свойства обеспечивают им устойчивость к внешним воздействиям и изменениям. Для разрушения вихреподобной структуры скирмиона необходимо преодолеть значительный энергетический барьер. Обычно возникновение скирмионов в системах связывают с отсутствием инверсионной симметрии (или хиральности) и наличием взаимодействий, возникающих из спин-орбитальной связи. В последнее время наблюдается повышенный интерес к скирмионам, возникающим в сильно хиральных жидких кристаллах, где их формирование обусловлено хиральными взаимодействиями.
В текущем исследовании команда ученых применила масштабное моделирование на основе частиц. Ключевым открытием стало то, что ахиральные твердые частицы бананообразной формы, подчиняющиеся исключительно взаимодействиям исключенного объема, способны спонтанно стабилизировать скирмионные структуры. Это стало неожиданным результатом, поскольку ранее считалось, что хиральность частиц является необходимым условием для образования скирмионов.
Как отмечает Марьолейн Дейкстра из Утрехтского университета и Международного института устойчивого развития с узловой хиральной метаматерией (WPI-SKCM2) Хиросимского университета, в условиях тонкого ограничения формируются квази-двумерные слои, в которых наблюдаются как изолированные скирмионы, так и плотные скирмионные решетки. Эти структуры представляют собой рацемическую смесь лево- и правозакрученных скирмионов и демонстрируют устойчивость к тепловым флуктуациям, а также сохраняют чувствительность к внешним полям. Это открывает интригующие возможности для манипулирования ими.
Размер скирмионов можно контролировать, изменяя размеры и кривизну бананообразных частиц. Эта возможность тонкой настройки размеров скирмионов делает их особенно перспективными для производства высокоэффективных дисплеев и разработки электрооптических, оптических и фотонных устройств нового поколения.
В условиях отсутствия геометрических ограничений, вызванных стесненными условиями, может возникать фаза Blue Phase III. Удивительно, но скирмионы в этих системах могут быть эффективно созданы и уничтожены внешними электрическими полями. Это демонстрирует прочность, переконфигурируемость и адаптивность данных структур.
Наблюдения трехмерной фазы Blue Phase III и двумерных скирмионных фаз соответствуют более ранним теоретическим предсказаниям. Теоретические работы показали, что связь между полярным порядком и спонтанными деформациями изгиба может приводить к сложным многомерным модулированным структурам, выходящим за рамки одномерных пространственно модулированных нематических фаз с твист-бенд и спрей-бенд деформациями.
Эти результаты предоставляют ценные сведения о стабилизации скирмионных решеток и фаз Blue Phase. Они демонстрируют не-гауссову жидкостноподобную динамику в системах ахиральных твердых частиц и подчеркивают замечательный потенциал сложных жидкостей в разработке передовых функциональных материалов. Области применения простираются от фотоники до устройств памяти.
В будущем исследователи надеются использовать жидкокристаллические скирмионы в устройствах памяти и обработки информации. Полученные результаты подчеркивают, что экзотические структуры, такие как скирмионы и фаза Blue Phase III, могут быть надежно реализованы в экспериментальных системах, состоящих из ахиральных изогнутых молекул или коллоидов. Это расширяет возможности для открытия новых фаз в разнообразных материалах. Дейкстра выражает надежду, что эти открытия вдохновят на экспериментальные исследования стабилизированных изгибом трехмерных фаз Blue Phase III и двумерных скирмионных фаз как в термотропных, так и в лиотропных жидких кристаллах. В состав исследовательской группы вошли Родольфо Суберт и Херардо Кампос-Вильялобос из Утрехтского университета (Нидерланды), а также Марьолейн Дейкстра, представляющая Утрехтский университет, Хиросимский университет и Международный институт устойчивого развития с узловой хиральной метаматерией (WPI-SKCM2) Хиросимского университета (Япония). Работа была опубликована 8 августа 2024 года в журнале Nature Communications.
Изображение носит иллюстративный характер
Скирмионы представляют собой крошечные вихреподобные структуры, ранее обнаруженные в конденсированных средах, таких как геликальные ферромагнетики и жидкие кристаллы. Они обладают топологической защитой, что делает их крайне устойчивыми и перспективными для использования в технологиях хранения и обработки информации. Кроме того, было обнаружено образование фаз Blue Phase III, аморфной фазы жидких кристаллов, характеризующейся выраженной оптической активностью и трехмерной сетью хиральных скирмионных нитей. Примечательно, что все эти сложные структуры возникают из ахиральных частиц, то есть частиц, которые можно совместить со своим зеркальным отражением.
Традиционно скирмионы возникают в результате хиральных взаимодействий – молекулярных взаимодействий между молекулами, обладающими хиральностью. Хиральность, в свою очередь, означает, что молекула не может быть совмещена со своим зеркальным изображением. Концепция скирмионов была впервые введена британским физиком Тони Скирмом в 1961 году. Изначально разработанная для ядерной физики, модель скирмионов оказалась полезной для объяснения сложных структур, наблюдаемых в конденсированных средах. В геликальных ферромагнетиках скирмионы принимают хиральную спиновую структуру со спиральной конфигурацией.
Важнейшим свойством скирмионов является их топологическая защита. Топологические свойства обеспечивают им устойчивость к внешним воздействиям и изменениям. Для разрушения вихреподобной структуры скирмиона необходимо преодолеть значительный энергетический барьер. Обычно возникновение скирмионов в системах связывают с отсутствием инверсионной симметрии (или хиральности) и наличием взаимодействий, возникающих из спин-орбитальной связи. В последнее время наблюдается повышенный интерес к скирмионам, возникающим в сильно хиральных жидких кристаллах, где их формирование обусловлено хиральными взаимодействиями.
В текущем исследовании команда ученых применила масштабное моделирование на основе частиц. Ключевым открытием стало то, что ахиральные твердые частицы бананообразной формы, подчиняющиеся исключительно взаимодействиям исключенного объема, способны спонтанно стабилизировать скирмионные структуры. Это стало неожиданным результатом, поскольку ранее считалось, что хиральность частиц является необходимым условием для образования скирмионов.
Как отмечает Марьолейн Дейкстра из Утрехтского университета и Международного института устойчивого развития с узловой хиральной метаматерией (WPI-SKCM2) Хиросимского университета, в условиях тонкого ограничения формируются квази-двумерные слои, в которых наблюдаются как изолированные скирмионы, так и плотные скирмионные решетки. Эти структуры представляют собой рацемическую смесь лево- и правозакрученных скирмионов и демонстрируют устойчивость к тепловым флуктуациям, а также сохраняют чувствительность к внешним полям. Это открывает интригующие возможности для манипулирования ими.
Размер скирмионов можно контролировать, изменяя размеры и кривизну бананообразных частиц. Эта возможность тонкой настройки размеров скирмионов делает их особенно перспективными для производства высокоэффективных дисплеев и разработки электрооптических, оптических и фотонных устройств нового поколения.
В условиях отсутствия геометрических ограничений, вызванных стесненными условиями, может возникать фаза Blue Phase III. Удивительно, но скирмионы в этих системах могут быть эффективно созданы и уничтожены внешними электрическими полями. Это демонстрирует прочность, переконфигурируемость и адаптивность данных структур.
Наблюдения трехмерной фазы Blue Phase III и двумерных скирмионных фаз соответствуют более ранним теоретическим предсказаниям. Теоретические работы показали, что связь между полярным порядком и спонтанными деформациями изгиба может приводить к сложным многомерным модулированным структурам, выходящим за рамки одномерных пространственно модулированных нематических фаз с твист-бенд и спрей-бенд деформациями.
Эти результаты предоставляют ценные сведения о стабилизации скирмионных решеток и фаз Blue Phase. Они демонстрируют не-гауссову жидкостноподобную динамику в системах ахиральных твердых частиц и подчеркивают замечательный потенциал сложных жидкостей в разработке передовых функциональных материалов. Области применения простираются от фотоники до устройств памяти.
В будущем исследователи надеются использовать жидкокристаллические скирмионы в устройствах памяти и обработки информации. Полученные результаты подчеркивают, что экзотические структуры, такие как скирмионы и фаза Blue Phase III, могут быть надежно реализованы в экспериментальных системах, состоящих из ахиральных изогнутых молекул или коллоидов. Это расширяет возможности для открытия новых фаз в разнообразных материалах. Дейкстра выражает надежду, что эти открытия вдохновят на экспериментальные исследования стабилизированных изгибом трехмерных фаз Blue Phase III и двумерных скирмионных фаз как в термотропных, так и в лиотропных жидких кристаллах. В состав исследовательской группы вошли Родольфо Суберт и Херардо Кампос-Вильялобос из Утрехтского университета (Нидерланды), а также Марьолейн Дейкстра, представляющая Утрехтский университет, Хиросимский университет и Международный институт устойчивого развития с узловой хиральной метаматерией (WPI-SKCM2) Хиросимского университета (Япония). Работа была опубликована 8 августа 2024 года в журнале Nature Communications.
