L’enseignement de la physique expérimentale au niveau Master a récemment connu une évolution notable grâce à la mise en place de plateformes dotées de nombreux équipements modernes, similaires à ceux utilisés dans les laboratoires de recherche de l’Université Paris-Saclay.
Des chercheurs et enseignants-chercheurs du Laboratoire de Physique des Solides (LPS) ont proposé un ensemble d’expériences originales dédiées à l’étude des cristaux liquides. Parmi celles-ci, le projet expérimental de 6 semaines (à raison de 1 jour par semaine), effectué au LPS par trois étudiants du M1 de physique fondamentale de l’ENS-Paris-Saclay, illustre la complémentarité qui peut exister entre les activités d’enseignement et de recherche. Les étudiants ont travaillé sur les cristaux liquides au cours de leur stage d’immersion intitulé « Les cristaux liquides : de la physique aux afficheurs ». Leur implication, la qualité de leur travail et l’originalité du projet ont donné lieu à un article “Fréedericksz transition on air” publié dans American Journal of Physics (AJP), une revue didactique de référence de l’American Association of Physics Teachers.
Le principe de fonctionnement des écrans à base de cristaux liquides nématiques torsadés fait intervenir l’anisotropie diélectrique des phases nématiques. Cette propriété fondamentale a été découverte par Mieczyslaw Jeżewski et Wilhelm Kast il y a environ 100 ans. Pour mesurer cette anisotropie, ils avaient proposé une méthode dite de résonance dans laquelle la fréquence de résonance d’un circuit LC est fonction de la capacité d’un condensateur rempli de cristal liquide nématique. Jeżewski et Kast ont alors observé que la fréquence de résonance était modifiée lorsqu’un champ magnétique était appliqué au condensateur et ont relié la variation de la permittivité diélectrique à la réorientation des molécules. L’article publié dans AJP décrit une version moderne, simple et peu coûteuse pour réaliser cette expérience de détection des anisotropies magnétiques et diélectriques des phases nématiques (Figure 1).
Figure 1. (gauche) Circuit moderne développé dans le cadre de ce travail basé sur la méthode de résonance utilisée par Jeżewski et Kast. (droite) Vue rapprochée de la cellule nématique soumise au champ magnétique.
L’oscillateur LC fonctionnant avec des lampes à vide a été remplacé par un oscillateur RC à amplificateur opérationnel dans lequel une cellule d’affichage à nématique torsadé joue le rôle du condensateur. Afin de rendre cette expérience démonstrative dans le cadre d’une présentation en public, la fréquence de résonance de l’oscillateur peut également être détectée par une radio logicielle fonctionnant en mode double bande latérale. Après un réglage approprié de la fréquence de réception, de petites variations de la fréquence de résonance deviennent audibles, mettant en évidence les changements de configuration des cristaux liquides (cf. résumé vidéo en anglais). Ce dispositif est très pratique pour déterminer les caractéristiques de la transition de Fréedericksz engendrée par des champs magnétiques (Figure 1) ou électriques. L’observation d’une cellule d’affichage à base de ces nématiques torsadés au moyen d’un microscope polarisant permet également de découvrir des parois et des désinclinaisons engendrées par des brisures de symétrie (Figure 2).
Ces expériences illustrent la pluridisciplinarité de la physique des cristaux liquides, à l’intersection entre l’électromagnétisme, la physique statistique, l’optique … et prouvent l’intérêt de présenter ces systèmes fascinants aux étudiants dans le cadre des cours sur la physique de la matière molle. A terme, associé aux autres techniques utilisées pour l’étude des cristaux liquides (diffraction des rayons X, RMN, microscopie à lumière polarisée…), ce nouveau dispositif viendra renforcer les Plateforme expérimentales du Département de Physique.
Figure 2. Génération des désinclinaisons et des parois par les brisures de symétrie dans la cellule à nématique torsadé conçue pour afficher la lettre “M”.
Référence
Fréedericksz transition on air
J. Plo, D. Sadi, E. Thellier, P. Pieranski, M. Zeghal, P. Judeinstein
American J. of Physics, 2021, 89, 603-611
doi : 10.1119/10.0003350
