Gli scienziati hanno utilizzato raggi X a spirale presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia per osservare, per la prima volta, una proprietà che conferisce manualità a schemi elettrici vorticosi – soprannominati vortici polari – in un materiale stratificato sinteticamente.

Questa proprietà, noto anche come chiralità, potenzialmente apre un nuovo modo per memorizzare i dati controllando la mano sinistra o destra nell'array del materiale più o meno allo stesso modo in cui i materiali magnetici vengono manipolati per memorizzare i dati come uno o zero nella memoria di un computer.

I ricercatori hanno affermato che il comportamento potrebbe anche essere esplorato per l'accoppiamento a dispositivi magnetici o ottici (basati sulla luce), che potrebbe consentire un migliore controllo tramite commutazione elettrica.

La chiralità è presente in molte forme e su molte scale, dalla struttura a scala a chiocciola del nostro DNA alla rotazione e alla deriva delle galassie a spirale; può persino determinare se una molecola agisce come una medicina o un veleno nei nostri corpi.

Un composto molecolare noto come d-glucosio, Per esempio, che è un ingrediente essenziale per la vita umana come forma di zucchero, mostra la destrezza. La sua controparte mancina, l-glucosio, anche se, non è utile nella biologia umana.

"La chiralità non si era mai vista prima in questa struttura elettrica, " ha detto Elke Arenholz, uno scienziato senior dello staff presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab, che ospita i raggi X che sono stati fondamentali per lo studio, pubblicato il 15 gennaio sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Gli esperimenti possono distinguere tra chiralità levogira e chiralità destrorsa nei vortici dei campioni. "Questo offre nuove opportunità per una scienza fondamentalmente nuova, con la possibilità di aprire applicazioni, " lei disse.

"Immagina di poter convertire una forma destrorsa di una molecola nella sua forma sinistrorsa applicando un campo elettrico, o ingegnerizzare artificialmente un materiale con una particolare chiralità, " disse Ramamoorthy Ramesh, uno scienziato senior della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e direttore associato del laboratorio dell'area delle tecnologie energetiche del laboratorio, che ha co-diretto l'ultimo studio.

Ramesh, che è anche professore di scienza dei materiali e fisica alla UC Berkeley, su misura i nuovi materiali all'UC Berkeley.

Padraic Shafer, un ricercatore presso la SLA e l'autore principale dello studio, ha lavorato con Arenholz per eseguire gli esperimenti a raggi X che hanno rivelato la chiralità del materiale.

I campioni includevano uno strato di titanato di piombo (PbTiO3) e uno strato di titanato di stronzio (SrTiO3) inseriti insieme in uno schema alternato per formare un materiale noto come superreticolo. I materiali sono stati studiati anche per le loro proprietà elettriche sintonizzabili che li rendono candidati per componenti in sensori precisi e per altri usi.

Nessuno dei due composti mostra alcuna manualità da solo, ma quando sono stati combinati nel superreticolo stratificato con precisione, hanno sviluppato le strutture a vortice vorticoso che mostravano la chiralità.

"La chiralità può avere funzionalità aggiuntive, "Shafer ha detto, rispetto ai dispositivi che utilizzano campi magnetici per riorganizzare la struttura magnetica del materiale.

I modelli elettronici nel materiale che sono stati studiati presso la SLA sono stati rivelati per la prima volta utilizzando un potente microscopio elettronico al National Center for Electron Microscopy del Berkeley Lab, una parte della Fonderia Molecolare del Laboratorio, sebbene ci sia voluta una tecnica a raggi X specializzata per identificare la loro chiralità.

"Le misurazioni dei raggi X dovevano essere eseguite in geometrie estreme che non possono essere eseguite dalla maggior parte delle apparecchiature sperimentali, "Shafer ha detto, utilizzando una tecnica nota come diffrazione di raggi X molli risonanti che sonda dettagli periodici su scala nanometrica nella loro struttura elettronica e proprietà.

Forme a spirale di raggi X, noti come raggi X polarizzati circolarmente, ha permesso ai ricercatori di misurare la chiralità sia mancina che destrorsa nei campioni.

Arenholz, che è anche membro di facoltà del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'UC Berkeley, aggiunto, "Ci è voluto molto tempo per capire i risultati, e un sacco di modelli e discussioni." I teorici dell'Università della Cantabria in Spagna e la loro rete di esperti di calcolo hanno eseguito calcoli delle strutture a vortice che hanno aiutato nell'interpretazione dei dati a raggi X.

Lo stesso team scientifico sta portando avanti studi su altri tipi e combinazioni di materiali per testare gli effetti sulla chiralità e altre proprietà.

"Esiste un'ampia classe di materiali che potrebbero essere sostituiti, "Shafer ha detto, "e c'è la speranza che gli strati possano essere sostituiti con materiali con funzionalità ancora più elevate".

I ricercatori hanno anche in programma di testare se ci sono nuovi modi per controllare la chiralità in questi materiali stratificati, ad esempio combinando materiali che hanno proprietà commutabili elettricamente con quelli che presentano proprietà commutabili magneticamente.

"Dato che sappiamo così tanto sulle strutture magnetiche, "Arenholz ha detto, "potremmo pensare di utilizzare questa ben nota connessione con il magnetismo per implementare questa proprietà appena scoperta nei dispositivi".