[論文レビュー] Scale-free defect ordering in passive and active nematics

Dan Pearce, Jyothishraj Nambisan+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2020

Micro and Nano Robotics被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、非能動的および能動的ネマチック液体結晶における+1/2欠陥が、極性構造に起因する弾性トーキューによって、スケールフリーで短距離の反強磁性秩序を示すことを明らかにした。中間の-1/2欠陥が存在する場合、この相互作用は短距離で整列する性質に逆転し、両効果とも欠陥密度に依存せず、長距離にわたって安定化する欠陥なしネマチック場の影響によって保たれる。

ABSTRACT

We investigate the emergence of orientational order among +1/2 disclinations in both passive and active nematic liquid crystals. Using a combination of theoretical and experimental methods, we demonstrate that +1/2 disclinations have short-range antiferromagnetic order, as a consequence of the elastic torques originating from their polar structure. The presence of intermediate -1/2 disclinations, however, turns this interaction from anti-aligning to aligning at scales that are smaller than the typical distance between like-sign defects. Strikingly, both effects are scale free and do not depend on defect density, reflecting that the presence of an intermediate defect-free nematic field between disclinations assures their significance even for very large inter-defect distances.

研究の動機と目的

• ネマチック液体結晶における+1/2欠陥間の配向秩序の性質を理解すること。
• +1/2欠陥の極性構造に起因する弾性トーキューが、それらの相互作用に与える影響を調査すること。
• 中間の-1/2欠陥が、短距離における相互作用を反強磁性から強磁性に変化させる役割を検討すること。
• これらの相互作用が、欠陥密度に依存せず、大規模な欠陥間隔に対しても顕著であるかどうかを特定すること。

提案手法

• 連続弾性理論を用いて+1/2欠陥間の弾性相互作用を理論的モデリングし、トルクを介した相互作用を導出すること。
• +1/2欠陥の極性構造を分析することで、弾性トーキューによる反強磁性秩序の起源を同定すること。
• 中間の-1/2欠陥を相互作用モデルに組み込み、短距離における相互作用の符号に与える影響を評価すること。
• スケーリングの議論を用いて、欠陥間の欠陥なしネマチック場の存在により、相互作用が欠陥密度に依存せずスケールフリーであることを示すこと。
• 理論的予測と非能動的および能動的ネマチック系における実験的観察を統合し、研究結果の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 +1/2欠陥間の弾性トーキューによって、ネマチック液体結晶でどのような配向秩序が生じるか？
• RQ2 中間の-1/2欠陥が存在する場合、同符号の+1/2欠陥間の短距離相互作用はどのように変化するか？
• RQ3 +1/2欠陥間の相互作用は、欠陥密度や欠陥間隔にどの程度依存するか？
• RQ4 なぜ、密度依存性がなくとも、大規模な欠陥間隔においてもこれらの相互作用が顕著に保たれるのか？

主な発見

• +1/2欠陥は、極性構造に起因する弾性トーキューにより、短距離の反強磁性秩序を示す。
• 中間の-1/2欠陥が存在する場合、通常の欠陥間隔未満の距離で、相互作用が反強磁性から強磁性に逆転する。
• 反強磁性および強磁性の両方の相互作用はスケールフリーであり、欠陥密度や大規模な欠陥間隔に依存せず持続する。
• 欠陥間に存在する欠陥なしネマチック場が、これらの相互作用が長距離にわたり顕著であることを保証し、その頑健性を確保する。