Alcune molecole, includendo la maggior parte di quelli presenti negli organismi viventi, hanno forme che possono esistere in due diverse versioni speculari. Le versioni per destrimani e per mancini possono talvolta avere proprietà diverse, tale che solo uno di essi svolge le funzioni della molecola. Ora, un team di fisici ha scoperto che un modello similmente asimmetrico può essere indotto e misurato a piacimento in certi materiali esotici, utilizzando uno speciale tipo di raggio di luce per stimolare il materiale.

In questo caso, il fenomeno della "mano, "conosciuta come chiralità, non si verifica nella struttura delle molecole stesse, ma in una sorta di schema nella densità degli elettroni all'interno del materiale. I ricercatori hanno scoperto che questo schema asimmetrico può essere indotto facendo brillare una luce nel medio infrarosso polarizzata circolarmente su un materiale insolito, una forma di semimetallo dicalcogenuro di metallo di transizione chiamato TiSe2, o diseleniuro di titanio.

Le nuove scoperte, che potrebbe aprire nuove aree di ricerca nel controllo ottico dei materiali quantistici, sono descritti oggi sulla rivista Natura in un articolo dei postdoc del MIT Suyang Xu e Qiong Ma, professori Nuh Gedik e Pablo Jarillo-Herrero, e 15 colleghi del MIT e di altre università negli Stati Uniti, Cina, Taiwan, Giappone, e Singapore.

Il team ha scoperto che mentre il diseleniuro di titanio a temperatura ambiente non ha chiralità, man mano che la sua temperatura diminuisce, raggiunge un punto critico in cui l'equilibrio delle configurazioni elettroniche per destrimani e per mancini viene scartato e un tipo inizia a dominare. Hanno scoperto che questo effetto potrebbe essere controllato e potenziato illuminando il materiale con luce a medio infrarosso polarizzata circolarmente, e che la manualità della luce (se la polarizzazione ruoti in senso orario o antiorario) determina la chiralità del patterning risultante della distribuzione degli elettroni.

"È un materiale non convenzionale, uno che non comprendiamo appieno, " dice Jarillo-Herrero. Il materiale si struttura naturalmente in "strati bidimensionali liberamente impilati uno sopra l'altro, "una specie di fascio di carte, lui dice.

All'interno di quegli strati, la distribuzione degli elettroni forma una "funzione d'onda di densità di carica, " un insieme di strisce ondulate di regioni alternate in cui gli elettroni sono più o meno densamente impacchettati. Queste strisce possono quindi formare modelli elicoidali, come la struttura di una molecola di DNA o una scala a chiocciola, che girano a destra o a sinistra.

ordinariamente, il materiale conterrebbe quantità uguali delle versioni destrorse e sinistrorse di queste onde di densità di carica, e gli effetti della manualità si annullerebbero nella maggior parte delle misurazioni. Ma sotto l'influenza della luce polarizzata, mamma dice, "abbiamo scoperto che possiamo fare in modo che il materiale preferisca principalmente una di queste chiralità. E poi possiamo sondare la sua chiralità usando un altro raggio di luce". È simile al modo in cui un campo magnetico può indurre un orientamento magnetico in un metallo dove normalmente le sue molecole sono orientate casualmente e quindi non hanno alcun effetto magnetico netto.

Ma indurre un tale effetto nella chiralità con la luce all'interno di un materiale solido è qualcosa che "nessuno ha mai fatto prima, "Gedik spiega.

Dopo aver indotto la particolare direzionalità utilizzando la luce polarizzata circolarmente, "possiamo rilevare che tipo di chiralità c'è nel materiale dalla direzione della corrente elettrica generata otticamente, " aggiunge Xu. Poi, quella direzione può essere commutata nell'altro orientamento se una sorgente di luce polarizzata in modo opposto illumina il materiale.

Gedik dice che sebbene alcuni esperimenti precedenti avessero suggerito che tali fasi chirali fossero possibili in questo materiale, "ci sono stati esperimenti contrastanti, " quindi non era chiaro fino ad ora se l'effetto fosse reale. Sebbene sia troppo presto in questo lavoro per prevedere quali applicazioni pratiche potrebbe avere un tale sistema, la capacità di controllare il comportamento elettronico di un materiale con un solo raggio di luce, lui dice, potrebbe avere un potenziale significativo.

Sebbene questo studio sia stato condotto con un materiale specifico, i ricercatori affermano che gli stessi principi potrebbero funzionare anche con altri materiali. Il materiale che hanno usato, diseleniuro di titanio, è ampiamente studiato per potenziali usi in dispositivi quantistici, e ulteriori ricerche su di esso possono anche offrire approfondimenti sul comportamento dei materiali superconduttori.

Gedik afferma che questo modo di indurre cambiamenti nello stato elettronico del materiale è un nuovo strumento che potrebbe essere potenzialmente applicato in modo più ampio. "Questa interazione con la luce è un fenomeno che sarà molto utile anche in altri materiali, non solo materiale chirale, ma sospetto che influisca anche su altri tipi di ordini, " lui dice.

E, mentre la chiralità è ben nota e diffusa nelle molecole biologiche e in alcuni fenomeni magnetici, "questa è la prima volta che dimostriamo che questo sta accadendo nelle proprietà elettroniche di un solido, " dice Jarillo-Herrero.

"Gli autori hanno scoperto due cose nuove, "dice Jasper van Wezel, professore all'Università di Amsterdam, che non faceva parte del gruppo di ricerca. Ha detto che le nuove scoperte sono "un nuovo modo di testare se un materiale è chirale o meno, e un modo per migliorare la chiralità complessiva in un grande pezzo di materiale. Entrambe le scoperte sono significative. Il primo come aggiunta alla cassetta degli attrezzi sperimentali degli scienziati dei materiali, il secondo come un modo per progettare materiali con proprietà desiderabili in termini di interazione con la luce".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.