2023 Fiscal Year Annual Research Report
Three-dimensional measurement of driven topological defects for elucidating liquid crystal turbulence
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22KJ0843
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
図司 陽平 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Keywords | トポロジカル欠陥 / 液晶 / 3次元ダイナミクス / 共焦点観測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液晶トポロジカル欠陥について、電圧印加によって生じた乱流状態からの緩和過程における3次元ダイナミクスを観測した。特に、トポロジカル欠陥に特有のダイナミクスである再結合に着目し、研究を行った。2本の欠陥がほぼ同一平面内で平行に近づくタイプの再結合について、液晶電気対流による縞状パターンを利用することで、周囲の配向場の決定を試みた。液晶に乱流を生じさせない程度の弱い電圧を印加すると、液晶セルの厚み方向中央付近の配向場を反映して方向が決まる縞状パターンが現れる。再結合が起こりそうな欠陥ペアについて、電圧を印加し、できた縞の方向から欠陥周りの配向場を推定することができた。これは、平行な欠陥の再結合に関して、トポロジーとエネルギーの観点から2次元では見られない3次元特有の構造が実現している、という我々の議論をサポートするものである。
また、2本の欠陥が角度を持って近づいてくる現象についても解析した。動的輪郭法の一種であるsnakes法を実装・応用して、共焦点顕微鏡で取得した3次元データからトポロジカル欠陥の座標を抽出し解析した。その結果、欠陥同士の距離だけでなく角度も再結合時刻に向かって減少していることが分かった。トポロジカル欠陥のダイナミクスは、理論的にも困難を伴うものであったが、近年になって完全な3次元配置の欠陥について適当な近似の下で相互作用や運動が記述されるようになった。昨年報告された先行研究の理論予言である欠陥同士の距離と角度の連立微分方程式と、本実験とを比較した。その結果、欠陥同士が最近接である部分に着目すると、理論予言の連立方程式が距離と角度の時間発展を記述することが分かった。ただし、2つの方程式の係数の比は理論とは異なっていたため、その違いについて影響を与える因子も含めて議論した。
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