異なる大きさのらせんを重ねた液晶で、吸収する円偏光を微弱な電場によって左回りから右回りへ切り替えた。電場の方向を変えると、光を色ごとに分ける周期的な縞模様も形成された。
分子のらせんを表面のねじれに組み込む
円偏光は、光が進むにつれて電磁場の向きが回転する光で、回転方向に左右の区別がある。らせん状液晶は円偏光を生み出せる一方、隣接分子の強い結び付きが、巻き方向を電気的に反転させる障壁になっていた。
理化学研究所のHiroya NishikawaとFumito Araokaらは、分子が数百ナノメートルの周期で自発的にらせんを形成する強誘電性液晶の相を使った。対向する表面をこすって配向処理したセルに入れると、表面が与えるマイクロスケールのねじれの中に、ナノスケールの分子らせんが組み込まれた階層構造が生じた。
垂直な電場で吸収する円偏光が反転
この階層構造に、表面をこすった方向と垂直な電場を加えると、微弱な電場でも光学応答が切り替わった。液晶は左回りの円偏光を吸収する状態から、右回りの円偏光を吸収する状態へ移った。
この吸収特性の反転は、表面が与えるねじれが反転し、それに伴って分子らせんの配向が変わったことを示す証拠とされた。電場への応答は、表面側のねじれと分子側のらせんを結び付けた構造で確認された。
平行な電場では縞模様が光を分ける
電場を表面の配向処理方向と平行にすると、液晶には周期的な縞模様が形成された。この縞模様が回折格子として働き、入ってきた光を色ごとに分けた。
同じ階層構造で、垂直方向の電場は円偏光の吸収特性を切り替え、平行方向の電場は回折を制御した。二つの光学機能を選ぶ条件は、表面をこすった方向に対して電場をどう向けるかにある。
低電圧で切り替え、電力なしで状態を保持
理化学研究所によると、円偏光の吸収特性を切り替えるモードと回折を制御するモードは、どちらも極めて低い電圧で切り替わり、速い応答を示した。両モードは、切り替えた状態を電力供給なしでも保持した。