[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究揭示，在被动和主动向列型液晶中，+1/2奇性拓扑缺陷由于其极性结构产生的弹性扭矩，表现出无尺度的、短程反铁磁序。当中间存在-1/2奇性拓扑缺陷时，这种相互作用在小距离下反转为取向对齐，且这两种效应均不依赖于缺陷密度，这是由于无缺陷向列场在长距离上具有稳定作用。

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.

研究动机与目标

• 理解向列型液晶中+1/2奇性拓扑缺陷之间取向序的性质。
• 研究+1/2奇性拓扑缺陷极性结构引发的弹性扭矩如何影响其相互作用。
• 考察中间-1/2奇性拓扑缺陷在短距离内将相互作用从反铁磁性转变为铁磁性的角色。
• 确定这些相互作用在大缺陷间距下是否仍显著，且不依赖于缺陷密度。

提出的方法

• 使用连续弹性理论对+1/2奇性拓扑缺陷之间的弹性相互作用进行理论建模，推导出由扭矩介导的相互作用。
• 分析+1/2奇性拓扑缺陷的极性结构，以识别由弹性扭矩引发反铁磁序的起源。
• 将中间-1/2奇性拓扑缺陷纳入相互作用模型，评估其在短距离上对相互作用符号的影响。
• 运用标度论证表明，由于缺陷之间存在无缺陷向列场，相互作用保持无尺度性，不依赖于缺陷密度。
• 将理论预测与被动及主动向列型系统中的实验观测相结合，以验证研究结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于弹性扭矩，+1/2奇性拓扑缺陷之间在向列型液晶中会形成何种类型的取向序？
• RQ2 在短距离内，中间-1/2奇性拓扑缺陷的存在如何改变同号+1/2奇性拓扑缺陷之间的相互作用？
• RQ3 +1/2奇性拓扑缺陷之间的相互作用在多大程度上依赖于缺陷密度或缺陷间距？
• RQ4 为何这些相互作用即使在缺陷间距较大时也保持显著，且不依赖于密度？

主要发现

• +1/2奇性拓扑缺陷由于其极性结构产生的弹性扭矩，表现出短程反铁磁序。
• 中间-1/2奇性拓扑缺陷的存在使相互作用在小于典型缺陷间距的距离下由反铁磁性反转为铁磁性。
• 反铁磁性和铁磁性相互作用均为无尺度的，意味着它们不依赖于缺陷密度或大缺陷间距而持续存在。
• 缺陷之间的无缺陷向列场在长距离上维持这些相互作用的重要性，确保其鲁棒性。