Untersuchung der ultraschnellen Dynamik von Flüssigkristallen

Was macht Flüssigkristalle so besonders?

Flüssigkristalle bestehen aus Mesogenen, Molekülen, die typischerweise längliche oder fadenartige Formen haben, obwohl einige auch scheibenförmig sein können. Die Form dieser Moleküle ist entscheidend für ihre Fähigkeit, sich auszurichten und geordnete Strukturen zu bilden. Die einzigartige Anordnung und Orientierung dieser Moleküle verleiht den Flüssigkristallen ihre charakteristischen anisotropen Eigenschaften, was bedeutet, dass ihre physikalischen Eigenschaften (wie der Brechungsindex, die Leitfähigkeit und die Viskosität) je nach Messrichtung variieren. 

Flüssigkristalle können in verschiedenen Mesophasen existieren, die durch den Grad der langreichweitigen orientationalen und positionalen Ordnung definiert sind und beschreiben, wie die Moleküle strukturiert sind:

• Nematische Phase: In dieser Phase sind die Moleküle in die gleiche Richtung ausgerichtet (orientale Ordnung), haben jedoch keine festen Positionen zueinander (keine positionale Ordnung). Während sie wie eine Flüssigkeit fließen, behalten sie eine langreichweitige orientale Ordnung bei.

• Smektische Phase: In dieser Phase sind die Moleküle ebenfalls in eine bestimmte Richtung ausgerichtet, ähnlich wie in der nematischen Phase, aber sie bilden zusätzlich Schichten, die eine positionale Ordnung innerhalb der Schichten erzeugen. Die Moleküle können sich innerhalb einer Schicht aneinander vorbeibewegen, jedoch nicht frei zwischen den Schichten. Trotz der Ordnung innerhalb jeder Schicht verhält sich das Material noch wie eine Flüssigkeit.

• Cholesterische/Chirale Phase: In dieser Phase ordnen sich die Moleküle in einer helikalen oder verdrehten Struktur an, wobei jede Schicht von Molekülen im Vergleich zur nächsten leicht gedreht ist. Diese helikale Anordnung beeinflusst, wie Licht mit dem Material interagiert, was zu einzigartigen optischen Eigenschaften führt.

Flüssigkristalle sind sehr empfindlich gegenüber äußeren Reizen. Ihre molekulare Ausrichtung kann durch Faktoren wie Temperatur, elektrische Felder und Magnetfelder beeinflusst werden, was Phasenübergänge auslösen kann. Unser Fokus liegt auf thermotropen Flüssigkristallen, die als Reaktion auf Temperaturänderungen zwischen verschiedenen Phasen übergehen. Diese Reaktionsfähigkeit macht sie besonders gut geeignet für Steuerungs- und Anzeigeanwendungen, wie sie in LCDs verwendet werden.

Einblicke in die Dynamik von Flüssigkristallen mit HHG und THz-Spektroskopie

Zur Untersuchung der ultraschnellen und kollektiven Dynamik von Flüssigkristallen (LCs) verwenden wir zwei sich ergänzende Methoden: High Harmonic Generation (HHG) und Terahertz-(THz)-Spektroskopie. HHG ist ein nichtlinearer optischer Prozess, der es uns ermöglicht, molekulare und elektronische Veränderungen auf Femtosekunden-Zeitskalen zu beobachten. Dabei dient ein hochintensiver Laser sowohl zur Anregung als auch zur Messung der Reaktion des Flüssigkristalls. Diese selbstabtastende Methode liefert Einblicke in die Energieumverteilung zwischen Schwingungsmoden sowie in die elektronische Reorganisation während Phasenübergängen. Die THz-Spektroskopie hingegen konzentriert sich auf niederfrequente Schwingungsmoden und erlaubt es uns, kollektive molekulare Bewegungen zu analysieren, wenn sich Flüssigkristalle von isotropen Flüssigkeiten zu geordneten Phasen entwickeln. Mit THz-Pump–optischen Sondenexperimenten untersuchen wir, wie sich kollektive Dynamiken von Einzelmolekülverhalten unterscheiden und welche Mechanismen hinter Brechungsindexänderungen, Birefringenzmodulation und resonanten Anregungen im Bereich von 1–10 THz stehen. Gemeinsam ermöglichen diese Ansätze ein umfassendes Verständnis der strukturellen und elektronischen Eigenschaften von Flüssigkristallen unter dynamischen Bedingungen. Mehr über HHG erfahren und THz-Spektroskopie entdecken.