华南理工开晓晨、黄明俊《PNAS》:超过百年的铁电向列相被发觉后，又一液晶极化拓扑形态被证明

铁电性是电介质具备的一种自觉极化状态，广泛显现于对称性较低的晶(固)体质料体系。流体或高流淌性软质料通常出现高对称性，因而与铁电性的要求是相违背的。1916年，Born指出了向列相液晶体系中存在铁电性的大概性。一个世纪后2020年，铁电向列相液晶状态被美国科罗拉多大学Clark院士研究团队所证明，同时被英国物理学会(IOP)《Physics World》评比为了2020年度十大突破之一。华南理工大学Satoshi Aya（謝暁晨）和黄明俊课题组恒久互助，在此类新型液晶态的分子库设置装备摆设、光电效应、非线性光学以及拓扑布局研究方面具有恒久的积存^[1]。近来，两个课题组证明了一类新型的强极性手性向列相液晶状态，称为螺旋铁电向列相。这种螺旋铁电向列相带有螺旋扭转的极性矢量，雷同于螺旋磁体（helimagnet）的电性对应物。螺旋铁电向列相可以连结到室温，并体现出庞大的介电和非线性光学相应。这种新的物质状态不但为软物质拓扑物理开启了一个新的研究偏向，也为开辟种种极性液晶器件提供了底子。

螺旋性是软物质组装超布局的最紧张性子之一，超过从原子到宏观生物程度标准。极性磁性螺旋布局被以为重要源于晶体布局中空间反演对称性的破缺或磁阻挫。壮大的磁手性耦合激发了人们对凝集态物理学的庞大兴趣，在量子和信息存储方面具有遍及的应用远景。依据磁和电的镜像干系，本研究团队估计会显现以电偶极矩为基元的类螺旋磁体，即螺旋铁电体（helielectric）。然而，电气体系中的拓扑状态较为有限，直到近来无极固态铁电质料范畴取得一些紧张突破，包罗连续观看到的电斯格明子（skyrmion）、极涡（vortex）和东床（meron）等。这些特别的铁电拓扑布局若能在软物质体系中实现，将带来新型柔性高端光电器件开辟新的机会。本研究团队报道了在极性液晶质料中发觉的基于电偶极化基元的类螺旋磁体状态，称为螺旋铁电向列相(HN*)。自觉的铁电向列相秩序与引入的手性采纳近螺旋取向的情势耦合（图1B），其流淌性比传统SmC*铁电液晶高得多。与传统的纳米级螺旋磁或螺旋电无机物相比，在流体中实现了从微米到近紫外波长范畴内的周期可调性。别的，极性和非极性螺旋向列相之间可切换，使人们对螺旋铁电向列相中的拓扑布局举行深入的物理研究成为大概。

本文亮点

研究团队将手性引入铁电向列相中，展现了螺旋铁电向列相的存在。联合多个相互联系关系的试验设计与剖析，证明了极化在螺旋铁电向列相中围绕螺旋轴扭转。通过调解掺杂手性分子浓度，螺旋铁电向列相可以维持到室温，同时连结杰出的非线性光学和介电特性。

图文导读

研究团队从螺旋磁体是一种螺旋调制的铁磁状态（图1B）动身，构想告终合手性分子在铁电向列相（NF）中诱导螺旋性的想法，从而孕育发生相应的螺旋铁电状态（图1E）。研究团队用已报道的RM734分子作为铁电向列相质料，并合成了S1、S2、E1和E2作为手性分子（图1F和S2）。手性分子与RM734在布局上雷同，不简单在掺杂中相分散，其高浓度的混淆稳健了宽温度窗口的新型螺旋铁电向列相（图1G和S2）。

图1. 拓扑类比：电状态与磁状态

从偏光显微镜（PLM）可以或许直接观看从N*到HN*的变化历程。图2A表现了RM734/S1=95/5的液晶在楔形液晶盒中N*-HN*变化的PLM图像的演化。Grandjean-Cano线的显现，代表了将具有差别数目的螺旋分列的螺旋布局离开的向错。在α度楔形液晶盒中，Grandjean-Cano线的周期L和非极性螺旋向列相的螺距p遵照以下干系式：p=2Ltanα。在N*-HN*变化后，观看到周期L酿成N*的2倍。然而，依据反射波长丈量（图2B-E、S5、S6、S8B）、旋光度测试（图S13）和指纹纹理的显微镜观看（图3D顶部）。是以，观看到周期L的更加评释干系式p=2Ltanα不实用于HN*，形貌螺距p和Grandjean-Cano线周期L之间干系在HN*下变化成p=Ltanα。

图 2. 螺旋铁电向列相的普通特性

二次谐波孕育发生（SHG）可以探测体系中反演中间的破缺，表征静态极性。图3A展示了差别浓度手性分子S1的SH信号强度随温度的改变干系。对付全部混淆物，岂论螺距巨细，SH信号都显现在N*-HN*相变点上方，而且随着温度的低落而增添。对付大多数混淆物，HN*的SH信号稳健或略有增添，评释显现的极性在HN*温度范畴内是稳健的。增添S1的浓度会导致SH信号的快速降落（图3B），这归因于增添极性较小的手性分子的比率来低落体系的螺距和固有极性（图S3）。格外是，随着螺距与基波波长相比变短，基波的净极性低落，SH信号削弱。令人惊奇的是，当S1的浓度位于58-62wt%时，观看到显着地高达500倍（与50-55wt%混淆物的信号举行比力）的SH信号加强（图3A、B右上角的插图）。在此范畴内，反命中心波长约为510-550 nm（图S5），与532 nm的SH波长相称。为了可视化极性螺旋，研究团队设计了SHG干预干与 (SHG-I)显微镜。SHG-I是唯一可以或许探测疏松流体质料的极性特性并对极性偏向敏感的技能。认真比力单个图像中SHG和SHG-I的空间漫衍（图3E和3F）后得出结论，极性矢量场的螺旋性如图3E顶部盘算。别的，这种螺旋极性矢量场可以相应电场。在带有面内电场（IPE场，拜见图3G）的平面临齐的液晶盒中下举行SHG电场相应丈量。入射光束的偏振调解为平行于IPE场的偏向，增添电场后，检测到SH信号的增添，评释极性矢量向IPE场偏向重新定向（图3H和S16）。总体而言，螺旋铁电向列相存在的证据是可靠的。

图 3. SHG加强和螺旋铁电向列相布局观看

螺旋铁电向列相质料可以很简单地添补在柔性基板之间并变形，可用作柔性液晶电容器。本文研究了具有差别浓度手性分子S1质料的介电相应的温度依靠性（图4A）。对付S1低于20wt%的混淆物，1000-500Hz下检测到在10³-10⁴范畴内的巨介电常数值（图4B）。与SHG丈量效果雷同，最大介电常数随动手性分子浓度的增添而低落（图4B）。值得细致的是，HN*中的极性不会因温度低落而削弱，这体现为SH信号的稳健或增添（图3A）。是以，介电的钟形温度改变解说如下：起首，嵌入在非极性配景中的微观极性域的成核和生长随着温度的低落而举行，从而导致SHG和介电常数的增添。在这种情形下，每个极性域中的均匀极性矢量很小，可以通过探针电压举行切换（通常为10-100mV，电场~1-10mV/μm）。在较低温度下，每个极性域都市变得很大。从而弛豫频率变低，有用介电相应变差。这与无机铁电质料中的类弛豫举动的情形同等。

图 4. 超大的介电常数和类弛豫的相应

总结如下，本研究团队报道了螺旋铁电向列相的第一次实空间观看。通过强局部极性和手性之间的耦合，实现了极性矢量同手性螺旋分列的状态。流体中这种奇特的电布局雷同于磁性体系中的螺旋磁体，但其奇特之处在于螺距可在数百纳米到数十微米宽的范畴内准确可调。别的，该研究效果证明了螺旋铁电向列相的三个紧张特性：（1）与此前发觉的铁电向列相的高温性子差别，螺旋铁电向列相可以在室温条件下稳健；(2) 稳健性给予质料庞大的介电效应和非线性光学相应，可在低温下利用；(3) 非线性光学相应在反命中心波长靠近SHG波优点被放大。这些发觉为探究曩昔在流体质料中无法得到的新型极性拓扑布局物理学以及使用优秀的电光特性设计室温柔性器件开启了新的篇章。

引用文献

[1] Li, Jinxing, et al. Science Advances7.17 (2021): eabf5047.

泉源：高分子科学前沿

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