Theoretical study of topological photonics based on ordered structures of chiral liquid crystals

• Project/Area Number: 23K20831
• Project/Area Number (Other): 21H01049 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 福田 順一 九州大学, 理学研究院, 教授 (90392654)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥15,990,000 (Direct Cost: ¥12,300,000、Indirect Cost: ¥3,690,000); Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2023: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: キラル液晶 / トポロジカルフォトニクス / スカーミオン / コレステリックブルー相 / 秩序構造 / キラリティ / 液晶 / タイトバインディング模型 / 光学計算

Outline of Research at the Start

鏡映対称性の欠如したキラル液晶は，様々な周期的秩序構造を自発的に形成する．本研究では，光の分散関係のバンド構造のトポロジーに由来する光学的性質(トポロジカルフォトニクス)を，キラル液晶の秩序構造が示す可能性について，理論的研究を行う．可視光領域でそのような光学的性質を示し，電場などの外場によって容易に性質を制御でき，かつ鏡映対称性の欠如による強い円偏光選択性を有する光学材料の理論的提案を行う．

Outline of Annual Research Achievements

昨年度に開始した，キラル液晶が形成する擬2次元スカーミオン（渦状の配向秩序構造）からなるヘキサゴナル格子と同じ対称性を有する，鏡映対称性が破れているが時間反転対称性が保たれたタイトバインディング模型についての研究をさらに進めた．エネルギーの分散関係を表すバンドのトポロジー，および異なるバンドトポロジーを有する構造の境界面でのエネルギー輸送へのキラリティの存在の影響に関する考察を論文原稿としてまとめた（米澤弦起氏，物質・材料研究機構との共同研究）．
また本研究のターゲットの1つである，コレステリックブルー相（キラル液晶が示す3次元秩序構造）について昨年度に開始した，双晶の形成を伴う構造相転移について，熱ゆらぎの影響も考慮に入れた，液晶配向秩序を表す変数の時間発展方程式を数値的に解くことにより，その動的過程を詳細に調べた．過去の散乱実験では得られなかった，実空間における構造変化の過程についての知見を得るとともに，複雑な局所秩序構造の同定には機械学習が有効であることも明らかにした．本成果は現在論文原稿としてまとめているところである（産業技術総合研究所との共同研究）．
その他に液晶に関連した研究として，円柱状の容器に入れたネマチック液晶（配向の秩序のみを有する液晶）が容器の壁との相互作用により形成する，鏡映対称性の破れた配向秩序構造について数値計算を行い，実験結果をよく説明する結果を得た．本成果は原著論文として公表した（中央大学との共同研究）．また，アクティブな流体のモデル方程式に，容器による閉じ込めの影響をどのように取り入れるかを考察した．滑り境界条件の実装方法を提案するとともに，滑り境界条件の下では壁近傍の流れ（エッジカレント）に振動が生じることを見出し，これらの成果を論文原稿にまとめた．キラリティの影響も容易に取り入れることができると期待している（松清洋輝氏との共同研究）．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

修士論文，卒業論文の指導と学務に時間を取られたことが，現状進捗がやや遅れていることの理由である．

Strategy for Future Research Activity

擬2次元スカーミオンからなるヘキサゴナル格子の光学的な性質についてはやや進捗が遅れており，フォトニックバンド構造をどのように外的に制御できるかについての数値的考察を重点的に行う．
コレステリックブルー相の双晶の形成を伴う構造相転移については，早急に論文をまとめる．また電場下での構造転移についても既に数値計算を行なっているので，機械学習に基づく構造の同定，評価を共同研究者と行い，論文としてまとめることを行いたい．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Jozef Stefan Institute/Univ. of Ljubljana(スロベニア)
• [Int'l Joint Research] National Academy of Science Ukraine(ウクライナ)
• [Journal Article] Formation of topological defects at liquid/liquid crystal interfaces in micro-wells controlled by surfactants and light (2023)
  • Author(s): Katayama Kenji、Yoshimura Takuro、Yamashita Saki、Teratani Hiroto、Murakami Tomoki、Suzuki Hiroaki、Fukuda Jun-ichi
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 19 Issue: 34 Pages: 6578-6588
  • DOI: 10.1039/d3sm00838j
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure of twin boundaries of cholesteric blue phase I (2022)
  • Author(s): Yamashita Akihiro、Fukuda Jun-ichi
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 105 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physreve.105.044707
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exotic structures of a thin film of chiral liquid crystals: a numerical study based on the Landau-de Gennes theory (2022)
  • Author(s): Fukuda Jun-ichi
  • Journal Title: Liquid Crystals Reviews Volume: - Issue: 1-2 Pages: 1-22
  • DOI: 10.1080/21680396.2022.2077256
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simulation of a cholesteric blue phase cell with large but finite thickness (2022)
  • Author(s): Fukuda Jun-ichi
  • Journal Title: Frontiers in Soft Matter Volume: 2
  • DOI: 10.3389/frsfm.2022.1011618
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regression analysis for predicting the elasticity of liquid crystal elastomers (2022)
  • Author(s): Doi Hideo、Takahashi Kazuaki Z.、Yasuoka Haruka、Fukuda Jun-ichi、Aoyagi Takeshi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-022-23897-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Liquid Crystalline Half‐Skyrmions and Their Optical Properties (2022)
  • Author(s): Fukuda Jun‐ichi、Nych Andriy、Ognysta Uliana、Zumer Slobodan、Musevic Igor
  • Journal Title: Annalen der Physik Volume: 534 Issue: 2 Pages: 2100336-2100336
  • DOI: 10.1002/andp.202100336
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In Situ Optical Characterization of Twinning in Liquid Crystalline Blue Phases (2021)
  • Author(s): Zhang Yuxian、Yoshida Hiroyuki、Cho SeongYong、Fukuda Jun-ichi、Ozaki Masanori
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 13 Issue: 30 Pages: 36130-36137
  • DOI: 10.1021/acsami.1c06873
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multistep nucleation of anisotropic molecules (2021)
  • Author(s): Takahashi Kazuaki Z.、Aoyagi Takeshi、Fukuda Jun-ichi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 5278-5278
  • DOI: 10.1038/s41467-021-25586-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular architecture dependence of mesogen rotation during uniaxial elongation of liquid crystal elastomers (2021)
  • Author(s): Yasuoka Haruka、Takahashi Kazuaki Z.、Fukuda Jun-ichi、Aoyagi Takeshi
  • Journal Title: Polymer Volume: 229 Pages: 123970-123970
  • DOI: 10.1016/j.polymer.2021.123970
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Oscillating edge current in polar active fluid (2024)
  • Author(s): 松清洋輝, 福田順一
  • Organizer: Active Matter Workshop 2024（アクティブマター研究会）
• [Presentation] Cholesteric blue phase liquid crystal: Numerical studies of structural and optical properties (2023)
  • Author(s): J. Fukuda
  • Organizer: Joint workshop: Physics Departments of NTNU and KU
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] コレステリックブルー相の構造相転移の連続体理論によるシミュレーション (2023)
  • Author(s): 福田順一
  • Organizer: 2023年日本液晶学会討論会
• [Presentation] Numerical study of the structural and optical properties of cholesteric blue phase liquid crystal (2023)
  • Author(s): J. Fukuda
  • Organizer: The 7th International Soft Matter Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Simulation of structural relaxation and phase transition of liquid crystalline blue phases (2023)
  • Author(s): J. Fukuda
  • Organizer: The 9th International Discussion Meeting on Relaxations in Complex Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 液晶の秩序構造とその光学的性質に関する数値的研究 (2023)
  • Author(s): 福田順一
  • Organizer: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算の時代における物性科学」
  • Invited
• [Presentation] 境界存在下でバクテリア乱流が示すエッジカレントの振動について (2023)
  • Author(s): 松清洋輝, 福田順一
  • Organizer: 第11回ソフトマター研究会
• [Presentation] 境界存在下でバクテリア乱流が示すエッジカレントの振動について (2023)
  • Author(s): 松清洋輝, 福田順一
  • Organizer: 第129回日本物理学会九州支部例会
• [Presentation] Oscillating Edge Current in Toner-Tu-Swift-Hohenberg Active Fluid (2023)
  • Author(s): H. Matsukiyo and J. Fukuda
  • Organizer: Kick-off meeting of Advanced core-to-core network for the physics of self-organizing active metter
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Oscillating Edge Current in Toner-Tu-Swift-Hohenberg Active Fluid (2023)
  • Author(s): H. Matsukiyo and J. Fukuda
  • Organizer: The 7th International Soft Matter Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Oscillating Edge Current in Toner-Tu-Swift-Hohenberg Active Fluid (2023)
  • Author(s): H. Matsukiyo and J. Fukuda
  • Organizer: 28th International Conference on Statistical Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Realization of topological states in a chiral honeycomb lattice model (2023)
  • Author(s): G. Yonezawa, T. Kariyado and J. Fukuda
  • Organizer: 28th International Conference on Statistical Physics
• [Presentation] Simulation of the structures and optical properties of a cholesteric blue phase cell of finite thickness under an electric field (2022)
  • Author(s): J. Fukuda
  • Organizer: SWS2022 (OLC2021 Satellite Workshop)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 電場下における有限厚さのコレステリックブルー相液晶セルのシミュレーション (2022)
  • Author(s): 福田順一
  • Organizer: 2022年液晶討論会
• [Presentation] Twin boundaries in cholesteric blue phase: A simulation study (2022)
  • Author(s): A. Yamashita and J. Fukuda
  • Organizer: The 28th International Liquid Crystal Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] コレステリックブルー相の構造と光学的性質に関する数値計算 (2022)
  • Author(s): 福田順一
  • Organizer: 研究会「非平衡ソフトマター・アモルファス物質の物性解明への力学的自己組織化からの挑戦」
  • Invited
• [Presentation] 有限厚さのコレステリックブルー相液晶セルの シミュレーション (2022)
  • Author(s): 福田順一
  • Organizer: 第10回ソフトマター研究会
• [Presentation] Exotic structures of frustrated cholesteric blue phases (2021)
  • Author(s): J. Fukuda and A. Yamashita
  • Organizer: International Conference on Discrete Geometric Analysis for Materials Design
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Exotic defect structures of a chiral liquid crystal sandwiched by two parallel substrates and their optical properties (2021)
  • Author(s): J. Fukuda
  • Organizer: SIAM Conference on Mathematical Aspects of Materials Science 2021 (MS21), MS64 Interface morphologies in liquid crystalline materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Lattice orientation of cholesteric blue phases imposed by planar surface anchoring (2021)
  • Author(s): J. Fukuda and S. Zumer
  • Organizer: OLC2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] コレステリックブルー相の円偏光選択反射の入射角依存性 (2021)
  • Author(s): 福田順一，趙 成龍，吉田浩之，尾崎雅則
  • Organizer: 2021年日本液晶学会討論会
• [Presentation] Simulation study of twin boundaries of cholesteric blue phases (2021)
  • Author(s): A. Yamashita and J. Fukuda
  • Organizer: The 18th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] キラルなフォトニック結晶におけるトポロジカル相 (2021)
  • Author(s): 米澤弦起，福田順一
  • Organizer: 第127回日本物理学会九州支部例会
• [Remarks] 液晶がナノ構造をつくる際の新現象を発見
  • URL: https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/661