Les afficheurs à cristaux liquides (CL) exploitent un phénomène physique appelé la transition de Fréedericksz. Cet effet n’est observé qu’avec les CL “nématiques” qui sont des fluides constitués de molécules en forme de bâtonnets alignés dans la même direction. La transition de Fréedericksz consiste en la réorientation de cette direction par un champ électrique. Il existe cependant une autre grande classe de CL, appelée “smectique”, où les molécules ne sont pas seulement toutes alignées mais forment aussi des couches équidistantes. Les smectiques ne présentent pas la transition de Fréedericksz car la réorientation perturberait la structure lamellaire. Par conséquent, les smectiques ne sont pas utilisés dans la technologie des écrans jusqu’à aujourd’hui.
Les molécules CL habituelles ont une forme cylindrique en bâtonnet et elles sont toutes alignées dans la même direction, appelée “directeur n“, dans la phase CL nématique. De plus, elles forment aussi spontanément des couches dans les phases CL smectiques qui peuvent donc être considérées comme des empilements unidimensionnels de couches fluides. A la recherche de nouveaux mécanismes d’affichage, les scientifiques ont récemment envisagé des formes moléculaires exotiques, telles que des formes de bananes ou de lattes qui diffèrent fortement de la forme habituelle en bâtonnet cylindrique. Ces molécules sont “biaxes”, ce qui signifie qu’elles ne présentent pas de symétrie de révolution. Elles peuvent donc former des smectiques biaxes, appelés “SmAb“, où non seulement leur axe le plus long est aligné le long du directeur n, mais aussi leur axe moyen est aligné le long du directeur “m“.
Au cours de l’étude électro-optique de ces composés, une équipe internationale coordonnée par des chercheurs du Laboratoire de Physique des Solides ont découvert que la phase SmAb présente un effet qui rappelle fortement la transition de Fréedericksz des nématiques (Figure 1). En utilisant la microscopie en lumière polarisée, des mesures diélectriques et de biréfringence, ils ont montré qu’il s’agit d’une transition de Fréedericksz affectant le directeur m (Figure 2). Cette transition de Fréedericksz biaxe est en fait possible dans un smectique biaxe car elle n’affecte pas le champ du directeur n et donc la structure lamellaire est préservée. De plus, ils ont constaté que le temps de relaxation de cet effet est beaucoup plus court que celui de la transition de Fréedericksz habituelle des nématiques, de sorte que la phase SmAb biaxe pourrait être exploitée dans des dispositifs électro-optiques qui nécessitent une commutation rapide.
Figure 1. (gauche) Domaines (taille 100 µm) de phase smectique (rouge) dans une cellule nématique (orange). (droite) Lorsqu’un champ électrique est appliqué, la biréfringence des domaines smectiques change ; ceci induit une transition du rouge au vert et l’apparition de domaines séparés par des parois de domaines (lignes noires).
Figure 2. (gauche) Les molécules CL biaxes ont une forme de lattes, leur plus grande dimension définissant l’épaisseur de la couche (délimitée par les lignes pointillées rouges) de la phase smectique. (droite) Lors de l’application d’un champ électrique E, les lattes tournent, ce qui modifie la biréfringence apparente du matériau, tout comme la transition de Fréedericksz habituelle, mais n’affecte pas les couches smectiques. (Les double-flèches noires et bleues représentent respectivement les directeurs n et m).
Référence
Fréedericksz-Like Transition in a Biaxial Smectic-A Phase
C. Meyer, P. Davidson, D. Constantin, V.i Sergan, D. Stoenescu, A. Knežević, I. Dokli, A. Lesac, I. Dozov
Phys. Rev. X, 2021, 11, 031012
doi: 10.1103/PhysRevX.11.031012
Contacts
Patrick Davidson
Ivan Dozov
