Upload
others
View
11
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Fahrudin Nugroho / Transisi Keadaan Defect-Non Defect pada Konveksi
Jurnal Fisika Indonesia No: 50, Vol XVII, Edisi Agustus 2013
ISSN : 1410-2994
Transisi Keadaan Defect-Non Defect pada Konveksi Listrik Kristal Cair Nematic Homeotropic dibawah Pengaruh Medan Magnet
Fahrudin Nugroho, Yoshiki Hidaka, Tatsuhiro Ueki, Shoichi Kai Jurusan Fisika, Fakultas Mematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada, Indonesia Deparment of Applied Quantum Physics and Nuclear Engineering, Faculty of Engineering, Kyushu University, Japan [email protected]
Abstrak – Dalam penelitian kali ini akan dikaji fenomena konveksi listrik kristal cair nemaik homeotropik dibawah pengaruh medan magnet luar. Dalam percobaan dapat diamati fenomena munculnya defect pada soft mode turbulence yaitu spatiotemporal chaos akibat interaksi moda konveksi listrik dengan moda Nambu-Goldstone. Dapat diamati bahwa terjadi transisi keadaan defect ke keadaan non defect yang terjadi pada medan magnet kritis tertentu Hc = 450 G. Lebih lanjut dengan pengamatan cross polarizer telah berhasil dijelaskan femonena terjadinya transisi dari keadaan defect ke non defect tersebut. Hal itu diakibatkan oleh tertekannya kebebasan berotasi dari kristal cair nematik. Kata kunci: konveksi listrik, kristal cair nematik, soft mode turbulence, moda Nambu-Goldstone, transisi keadaan Abstract – The phenomenon of electroconvection of homeotropic nematics under influence of external magnetic field has been researched in the present study,. In the experiment, can be observed the appearance of defect in the soft-mode turbulence which is a kind of spatiotemporal chaos generated by nonlinear interaction betweenthe Nambu-Goldstone mode and the convective mode. The transition between the defect to non-defect state occurs at the critical magentic field Hc = 450 G. Furthermore, using the cross polarizer observation the mechanism of occurence of the transition can be explained. That is, it is due to the supression of the rotational freedom of nematic liquid crystal. Key words: lectroconvection, nematic liquid crystal, soft mode turbulence, Nambu-Goldstone mode, phase transition
I. PENDAHULUAN Defect yang disebabkan ketidaksempurnaan topologis
telah banyak dikaji dalam banyak sistem. Salah satu contoh yang sangat popoler adalah defect pada sistem kristal yang secara mikroskopik merupakan ketidaksempurnaan dalam susunan atom- atom penyusunnya [1]. Seringkali defect dalam struktur kristal merupakan suatu hal yang di anggap tidak baik, karena berakibat kelemahan struktur zat padat. Disisi lain ada satu manfaat dari defect secara Fisika, yaitu seringkali sifat defect mencerminkan sifat sistem di mana defect tersebut diamati.
Dalam penelitian kali ini, akan disajikan hasil pengamatan defect pada konveksi listrik kristal cair nematik homeotropik. Sebagaimana diketahui bahwa sistem ini merupakan salah satu contoh sistem di luar kesetimbangan termodinamik [2, 3, 4, 5]. Pada sistem kristal cair nematik homeotropik kristal cair ditempatkan diantara dua keping elektroda transparan. Orientasi kristal cair adalah tegak lurus terhadap elektroda sehingga terdapat simetri rotasi yang kontinyu pada bidang elektroda (bidang x–y). Dengan menerapkan arus listrik bolak-balik (AC) dengan tegangan di atas ambang batas Freedericksz VF orientasi rerata dari kristal cair nematik n mengalami kemiringan terhadap sumbu z yang disebabkan adanya sifat anisotropik dielektrik pada kristal cair yang digunakan. Karenanya terjadi pemecahan simetri rotasi yang kontinyu (Symmetry Breaking). Proyeksi n pada sumbu z yang disebut C(r), dimana r adalah vektor posisi dua dimensi pada bidang x–y,
bebas berotasi pada bidang x–y dan bersifat sebagai moda Nambu-Goldstone. Dengan menerapkan tegangan yang lebih besar, yaitu di atas ambang batas konveksi listrik Vc, maka konveksi listrik terjadi pada sistem dikarenakan ketakstabilan Carr–Helfrich [5]. Konveksi listrik dengan vektor gelombang q(r) berinteraksi secara tak linear dengan C(r) menghasilkan formasi pola tak teratur yang disebut dengan soft-mode turbulence (SMT).
Penelitian defect pada SMT, yang kemudian diberi nama blacklines, sudah dilakukan oleh beberapa peniliti sebelumnya [1, 3, 6]. Dalam penelitian tersebut diteliti terkait dengan sifat dasar dari defect tersebut. Dalam artikel ini akan dikaji secara eksperimental sifat blacklines yang dipengaruhi oleh medan magnet luar H. Akan ditunjukan pula terjadinya transisi keadaan Defect ke Non-Defect pada tingkat edan magnet tertentu. Akhirnya akan ditunjukan bahwa terdapat kaitan yang erat antara transisi Defect ke Non-Defect dengan transisi keadaan Chaotic ke keadaan Teratur dalam sistem ini.
II. EKSPERIMEN
Untuk menjelaskan sifat-sifat transisi seperti yang telah disebutkan di atas telah kami lakukan percobaan dengan menggunakan kristal cair nematik p-methoxy-benziliden- p’-n-buthyl-annyline (MBBA) yang di injeksikan di antara dua elektroda transparan indium tin oxide (ITO) dengan diameter 12.9 mm dengan jarak d = 52 ± 1μm. Rancangan dari percobaan yang telah kami lakukan pada dasarnya
12
Fah
serpenKosam10−sampirbes(Yokamdendigpadbenpix
Bdilameyan[f-ffreDekalSelmeKemeKebatpardihterlini citrdal IV
ScitrtamyanbermedenSelberpolkaipan
hrudin Nugroh
rupa dengan pngukuran dilaonstanta dielempel adalah m−7Ω−1m−1. Mmpel secara kranti elektrosarnya medanokogawa 325mera (Sony ngan Mikroskgunakan untuda bidang x–yntuk data adalxel). Berikut ini adakukan untuk
enghindari penng digunakanfL(H)]/ fL(H)kuensi Lifshit
engan demikiali ini selalu mlanjutnya kamedan magnet aemudaian tegaenit sampai emudian tegantas konveksi srameter) ε ≡harapkan. Prolampaui. Citrkemudian dia
ra pola kemudlam bahasa C.
. HASIL DANSetelah dilakura seperti dit
mpak bahwa dng lebih kuarupa blacklineenunjukan bahngan meneralain itu daprkurangnya jula SMT semaitan yang eranjang blacklin
ho / Tran
percobaan yanakukan pada ekrtik ε|| danmasing-masinMedan magnekolateral (sejaomagnet (Tn magnet ini1). Sebuah ChXCL 5005)
kop dan softuk mengamatiy. Ukuran dalah 1.14 mm
dalah langkahk memperolengaruh perub
n kami gunaka) = −0.5 dimtz akibat peruan pola yang merupakan pomi terapkan ambang Fr eedangan V dite
keadaan hongan listrik tersampai dipero≡ (V/Vc)2 −ses ini dilaku
ra dari pembeambil dengan dian dilakuka.
N PEMBAHAukan percobatunjukan olehdengan meng
at maka jumles semakin behwa pada ak
apkan besar pat diamati umlah dan panakin teratur. Kat antara keadnes yang teram
nsisi Keadaan
Jurna
ng telah sebelusuhu stabil
n konduktifitang 6.4 ± 0.1 et konstan H ajar elektrodaTAMAGAWAi diukur dengharged Coupl
yang diguntware (DPX-Ci dan menan
ari citra yang × 1.14 mm (1
-langkah perceh data. Pertahan frekuensan frekuensi tmana fL(H) aubahan medanselalu diamatola oblique rmedan magn
dericksz HF srapkan di ataomogen C(r)rsebut dinaikaoleh paramete−1 dengan ukan sampai kentukan pola-selang waktu
an dengan Ima
ASAN aan maka daph Gambar 1. genakan medalah dan panjerkurang. Gamkhirnya blackl
medan magnpula bahwa
njang blacklinKarenanya kadaan SMT demati padanya.
Defect-Non D
al Fisika Indones
umnya [7]. Se30.00 ± 0.0
as listrik σ|| and 8.7 ± 0di kenakan p
a) dihasilkan A GP060-6gan Gauss med Device (C
nakan bersamCLM 100 ba
ngkap citra Sditangkap da
1000 pixel × 1
cobaan yang ttama-tama, unsi f tegangan ternormalkan adalah peruban magnet luarti pada percobrolls (OR) [7,net luar dibaelama satu mas VF selama) bisa tercaan di atas ambr kendali (conmagnitudo ykeadaan trans-pola pada sisu 2 menit. AnaageJ dan softw
pat diperoleh Dari Gamba
an magnet luajang defect ymbar 1 (c) danlines akan hinet luar terte
seiring denes maka citra
ami menduga engan jumlah
Defect pada K
sia No: 50, Vol XISSN : 1410-29
emua 5C. dari .1 × pada dari 0R),
meter CD)
maan asic) SMT alam 1000
telah ntuk AC η ≡
ahan r [8]. baan , 8].
awah enit. a 10 apai. bang ntrol yang sient stem alisa ware
data ar 1 ar H yang n (d) ilang entu. ngan dari ada dan
Gade
padH
keadefeblaccitr
medterdbencobfun(leapecpadbahadamemkeaterj
Konveksi
XVII, Edisi Agus94
ambar 1. Berkuengan bertambada SMT. (a) H =
H = 650[G] deng
Untuk dapat madaan teratur fect secara kcklines ρBL yaa yang diobseGambar 2 mdan magnet ludapat suatu mnar-benar akanba untuk mengsi H denga
ast square). ocokan fungs
da gambar 2. hwa besarnya alah sebesar mperkirakan
adaan defect dadi transisi da
stus 2013
urangnya jumlaahnya besar med= 50[G], (b) H =gan ε = 0.1. Tan
salah satu
menjelaskan kdengan tran
kuantitatif, kaitu panjang
ervasi yang ditmenunjukan huar H. Dari gmedan magnen hilang. Dancocokan (fittan menggunaSalah satu hsi tersebut diDari gambarHc dimana bH = 450 bahwa selai
dengan non deari keadaan SM
ah dan panjang dan magnet luar= 350[G], (c) Hnda panah padablacklines. kaitan antara ksisi keadaan kami telah mblacklines dibtunjukan oleh hubungan ρB
gambar tersebuet tertentu diri data gambting) fungsi d
akan metode hasil yang pitunjukan denr tersebut dapblacklines aka
± 2 G. Kin terjadinyaefect maka paMT ke keadaa
blacklines seirir yang diterapk
H = 450[G] and a (b) menunjuka
kedaan SMT defect dan
mengukur rabagi dengan lGambar 2.
BL dengan beut tampak bahimana blacklibar 2 telah kdari ρBL sebakuadrat terk
paling mendengan garis mepat di simpulan hilang (ρBLKarenanya ka transisi anada nilai ini j
an teratur.
1
ing kan
(d) an
dan non apat luas
esar hwa ines
kami agai
kecil kati erah lkan L=0) kami tara uga
3
Fah
G
meterdbencobfun(leapecpadbahadamekeaterj
madibitu dibmedip
keametelagarini mediladisdili
hrudin Nugroh
ambar 2. RapaH p
Gambar 2 edan magnet ldapat suatu mnar-benar akaba untuk menngsi H dengaast square). cocokan fungda gambar 2.hwa besarnyaalah sebesar emperkirakan adaan defect djadi transisi da
Untuk semenasih bersifatbuktikan secar
diperlukan kbahas dalam elalui persamapublikasikan p
Selanjutnya adaan defect enggunakan cah diketahui bris dengan titi
percobaan edan magnet teakukan untuk
sekitar titik deihat pada Gam
ho / Tran
at blacklines ρBLada parameter c
menunjukan luar H. Dari gmedan magnan hilang. Dancocokan (fitan menggunaSalah satu
gsi tersebut d Dari gamba
a Hc dimana bH = 450 bahwa sela
dengan non dari keadaan SM
ntara kaitan ant fenomenolra teoretis hubkajian teoretikesempatan k
aan Rossberg pada kesempat
untuk menke Non-defec
cross polarizerbahwa blacklik defect yang
difokuskan erhadap titik d
k mengetahui sefect. Hasil d
mbar 4 sebaga
nsisi Keadaan
Jurna
L versus besar mcontrol tetap ε =
hubungan ρBgambar tersebunet tertentu dari data gambtting) fungsi akan metode hasil yang pitunjukan den
ar tersebut dablacklines aka
± 2 G. Kain terjadinyadefect maka pMT ke keadaa
ntara kedua trlogis. Artinybungan antara s lebih lanjukali ini. Suat[9] sedang ditan berikutnya
njelaskan fect kami melar. Dari penellines merupakg menyertainy
untuk mengdefect tersebustruktur mikro
dari pengamatai berikut.
Defect-Non D
al Fisika Indones
medan magnet l= 0.1.
BL dengan but nampak ba
dimana blacklbar 2 telah kdari ρBL sebkuadrat terk
paling mendengan garis mapat di simpuan hilang (ρBLKarenanya ka transisi anpada nilai ini jan teratur.
ansisi keadaanya belum keduanya. Un
ut dan tidak atu kajian teolakukan dan aa[10].
enomena tranakukan percoblitian sebelumkan defect berya. Karenanya getahui pengut. Pengamatanoskopik yaitu tan tersebut d
Defect pada K
sia No: 50, Vol XISSN : 1410-29
luar
besar ahwa lines kami bagai kecil ekati
merah ulkan
L=0) kami ntara juga
n ini bisa ntuk akan retis akan
nsisi baan
mnya rupa kali
aruh n ini C(r)
dapat
Gam
D
mersembebdipepenpensifa(MBmakdenkeby, medC(rterjolehmermedmaudefeρBL
V. K
SdibaanaDentran(ii) mersistadadaridenpen
Konveksi
XVII, Edisi Agus94
mbar 4. Salah polarizer (cros
disek
Dari gambar rupakan form
macam itu hanbas berotasi teeroleh suatu
ngurangan jumngarauh medaat diamagnetiBBA), maka ka molekul M
ngan medan bebasan C(r), y
untuk berotadan magnet lu) untuk beroadinya formah gambar 4,rupakan pembdan magnet upub C(r) aka
fect tidak mun(H=Hc)=0.
KESIMPULASetelah melakuawah pengar
alisa dapat dngan mengenansisi keadaan
Telah ditunjrupakan konem, yaitu def
alah bersifat ki keadaan def
ngan transisi knelitian teoreti
stus 2013
satu titik defects-Nicol observa
kitar titik defect
4 di atas dapmasi khusus (m
nya bisa terjrhadap sumbufakta penting
mlah dan panjan magnet luik bahan krdengan men
MBBA akan magnet lua
yang merupakasi akan berkuar dikenakanotasi akan seasi C(r) yang , agar terbenbentuk blacklitertentu yang
an berorientasngkin lagi te
AN ukan serangk
ruh medan mdiperoleh kesiakan medan mdefect ke ke
jukan bahwa sekuensi dar
fect hanya bisakhusus, misalfect ke non dkeadaan chaok terhadap fen
t di bawah obseation) (a). Skemditunjukan pad
pat dilihat bamelingkar) daadi jika dan u z. Dari peng
g yang menjeljang blackline
uar. Yaitu deristal cair yangenakan med
berusaha berar. Sebagai kan proyeksi nkurang. Semakn pada sistem, emakin besar
melingkar, sentuk satu tiines semakin g cukup besasi sejajar H, srjadi, defect
kaian percobaamagnet luar impulan sebamagnet luar meadaan non de
struktur makri struktur ma terjadi jika lnya melingkdefect ini dipotic ke keadanomena transi
ervasi dengan crma formasi C(r)da (b).
ahwa titik deari C(r). Form
hanya jika Cgamatan ini dalaskan terjadies akibat adaengan menginang di gunadan magnet lrorientasi sej
konsekuensin pada bidangkin besar memaka kebeba
. Peluang uneperti ditunjutik defect ykecil. Pada bear maka baik
sebagai akibatakan hilang
an terhadap Sdan serangkaagai berikut.
maka akan terjefect pada SMkroskopik de
mikroskopik dformasi dari C
kar. (iii) Tranperkirakan teraan teratur. Peisi tersebut.
1
ross
fect masi C(r) apat inya anya ngat akan luar ajar inya g x–edan asan ntuk ukan yang esar k n tnya dan
MT aian
(i) rjadi MT. fect dari C(r) nsisi rkait erlu
4
Fahrudin Nugroho / Transisi Keadaan Defect-Non Defect pada Konveksi
Jurnal Fisika Indonesia No: 50, Vol XVII, Edisi Agustus 2013
ISSN : 1410-2994
UCAPAN TERIMA KASIH Terakhir salah satu penulis (F.N.) mengucapkan
terimakasih atas dukungan dari Core to Core Program “International research network for non-equilibrium dynamics of soft matter.” F. N. Juga berterimakasih atas dukungan dari DIKTI dan DIKNAS. PUSTAKA Artikel jurnal: [1] R. Anugraha, T. Ueki, Y. Hidaka, N. Oikawa, and S. Kai:
Phys. Rev. E. 100 (2009) 164503. [2] S. Kai, K. Hayashi, and Y. Hidaka, J. Phys. Chem. 100,
19007 (1996). Y. Hidaka, K. Tamura, and S. Kai: Prog. Theor. Phys. Suppl. 161 (2006) 1.
[3] R. Anugraha, F. Nugroho, T. Ueki, Y. Hidaka, and S. Kai: Phys. Rev. E. 83 (2011) 022701.
[4] H. Richter, N. Klo pper, A. Hertrich, A . Buka: Europhys. Lett. 30 (1995) 37.
[5] M. Tribelsky and K. Tsuboi: Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 1631. A. Hertrich, W. Decker, W. Pesch, and L. Kramer: J. Phys. II (France) 2 (1992) 1915.
[6] J.-H. Huh, Y. Hidaka, and S. Kai: J. Phys. Soc. Jpn. 68 (1999) 1567. 8
[7] E. Bodenschatz, W. Zimmermann, and L. Kramer, J. Phys. (Paris) 49, 1875 (1988).
[8] F. Nugroho, T. Ueki, R. Anugraha, Y. Hidaka, and S. Kai: J. Phys. Soc. Jpn. 79 (2010) 2.
[9] A. G. Rossberg:. A. G. Rossberg, A. Hertrich, L. Kramer, and W. Pesch: Phys. Rev. Lett. 76 (2002) 4729. A. G. Rossberg, and L. Kramer: Phys. Scr. T. 67 (1996) 121. A. G. Rossberg, A. Hertrich, L. Kramer, and W. Pesch: Phys. Rev. Lett. 76 (2002) 4729.
[10] A. G. Rossberg, komunikasi pribadi.
Skripsi/tesis/disertasi: [11] A. G. Rossberg, The Amplitude Formalism for Pattern-
Forming Systems with Spontaneously Broken Isotropy and some Applications, Ph.D. dissertation, University of Bayreuth, 1998.
15