Os cientistas usaram raios-X espiralados no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) para observar, pela primeira vez, uma propriedade que confere destreza a padrões elétricos giratórios - chamados de vórtices polares - em um material em camadas sintéticas.

Está Propriedade, também conhecido como quiralidade, potencialmente abre uma nova maneira de armazenar dados, controlando o canhoto ou destro na matriz do material, da mesma forma que os materiais magnéticos são manipulados para armazenar dados como uns ou zeros na memória de um computador.

Os pesquisadores disseram que o comportamento também pode ser explorado para acoplamento a dispositivos magnéticos ou ópticos (baseados em luz), o que poderia permitir um melhor controle por meio de comutação elétrica.

A quiralidade está presente em muitas formas e escalas, do projeto de escada em espiral de nosso próprio DNA ao giro e à deriva de galáxias espirais; pode até determinar se uma molécula atua como um medicamento ou um veneno em nossos corpos.

Um composto molecular conhecido como d-glicose, por exemplo, que é um ingrediente essencial para a vida humana como forma de açúcar, exibe destreza. Sua contraparte canhota, l-glicose, no entanto, não é útil na biologia humana.

"A quiralidade não tinha sido vista antes nesta estrutura elétrica, "disse Elke Arenholz, um cientista sênior da equipe do Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), que abriga os raios-X que foram fundamentais para o estudo, publicado em 15 de janeiro no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences .

Os experimentos podem distinguir entre quiralidade canhota e quiralidade destra nos vórtices das amostras. "Isso oferece novas oportunidades para uma ciência fundamentalmente nova, com potencial para abrir aplicativos, " ela disse.

"Imagine que alguém pudesse converter uma forma destra de uma molécula em sua forma canhota aplicando um campo elétrico, ou projetar artificialmente um material com uma quiralidade particular, "disse Ramamoorthy Ramesh, um cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e diretor associado do laboratório da Área de Tecnologias de Energia do Laboratório, que co-liderou o último estudo.

Ramesh, que também é professor de ciência dos materiais e física na UC Berkeley, feitos sob medida os novos materiais na UC Berkeley.

Padraic Shafer, um cientista pesquisador da ALS e o principal autor do estudo, trabalhou com Arenholz para realizar os experimentos de raios-X que revelaram a quiralidade do material.

As amostras incluíram uma camada de titanato de chumbo (PbTiO3) e uma camada de titanato de estrôncio (SrTiO3) ensanduichadas em um padrão alternado para formar um material conhecido como superrede. Os materiais também foram estudados por suas propriedades elétricas ajustáveis ​​que os tornam candidatos para componentes em sensores de precisão e para outros usos.

Nenhum dos dois compostos mostra qualquer destreza por si só, mas quando eles foram combinados na superrede em camadas com precisão, eles desenvolveram as estruturas de vórtice giratório que exibiam quiralidade.

"A quiralidade pode ter funcionalidade adicional, "Shafer disse, quando comparado a dispositivos que usam campos magnéticos para reorganizar a estrutura magnética do material.

Os padrões eletrônicos no material que foram estudados no ALS foram revelados pela primeira vez usando um microscópio eletrônico poderoso no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica do Berkeley Lab, uma parte da Fundição Molecular do Laboratório, embora tenha sido necessária uma técnica especializada de raios-X para identificar sua quiralidade.

"As medições de raios-X tiveram que ser realizadas em geometrias extremas que não podem ser feitas pela maioria dos equipamentos experimentais, "Shafer disse, usando uma técnica conhecida como difração de raios-X ressonante suave, que analisa detalhes periódicos em escala nanométrica em sua estrutura e propriedades eletrônicas.

Formas espiraladas de raios-X, conhecido como raios-X circularmente polarizados, permitiu aos pesquisadores medir a quiralidade canhota e destra nas amostras.

Arenholz, que também é membro do corpo docente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UC Berkeley, adicionado, "Demorou muito para entender os resultados, e muita modelagem e discussões. ”Teóricos da Universidade de Cantábria, na Espanha, e sua rede de especialistas em computação realizaram cálculos das estruturas de vórtices que ajudaram na interpretação dos dados de raios-X.

A mesma equipe científica está realizando estudos de outros tipos e combinações de materiais para testar os efeitos sobre a quiralidade e outras propriedades.

“Existe uma ampla classe de materiais que podem ser substituídos, "Shafer disse, "e há esperança de que as camadas possam ser substituídas por materiais de funcionalidade ainda mais alta."

Os pesquisadores também planejam testar se existem novas maneiras de controlar a quiralidade nesses materiais em camadas, por exemplo, combinando materiais que têm propriedades comutáveis ​​eletricamente com aqueles que exibem propriedades comutáveis ​​magneticamente.

"Já que sabemos muito sobre estruturas magnéticas, "Arenholz disse, "poderíamos pensar em usar essa conexão bem conhecida com o magnetismo para implementar essa propriedade recém-descoberta em dispositivos."