Algumas moléculas, incluindo a maioria dos organismos vivos, têm formas que podem existir em duas versões diferentes de imagens espelhadas. As versões para destros e canhotos às vezes podem ter propriedades diferentes, de forma que apenas um deles desempenha as funções da molécula. Agora, uma equipe de físicos descobriu que um padrão similarmente assimétrico pode ser induzido e medido à vontade em certos materiais exóticos, usando um tipo especial de feixe de luz para estimular o material.

Nesse caso, o fenômeno da "lateralidade, "conhecido como quiralidade, ocorre não na estrutura das próprias moléculas, mas em uma espécie de padronização na densidade dos elétrons dentro do material. Os pesquisadores descobriram que esse padrão assimétrico pode ser induzido pelo brilho de uma luz infravermelha média circularmente polarizada em um material incomum, uma forma de semimetal dichalcogeneto de metal de transição chamado TiSe2, ou disseleneto de titânio.

As novas descobertas, que poderia abrir novas áreas de pesquisa no controle óptico de materiais quânticos, são descritos hoje no jornal Natureza em um artigo dos pós-docs do MIT Suyang Xu e Qiong Ma, professores Nuh Gedik e Pablo Jarillo-Herrero, e 15 colegas do MIT e de outras universidades nos EUA, China, Taiwan, Japão, e Cingapura.

A equipe descobriu que, embora o disseleneto de titânio à temperatura ambiente não tenha quiralidade, conforme sua temperatura diminui, ele atinge um ponto crítico onde o equilíbrio das configurações eletrônicas destras e canhotas é prejudicado e um tipo começa a dominar. Eles descobriram que este efeito poderia ser controlado e intensificado pelo brilho de luz infravermelha média polarizada circularmente no material, e que a lateralidade da luz (se a polarização gira no sentido horário ou anti-horário) determina a quiralidade do padrão resultante da distribuição de elétrons.

"É um material não convencional, um que não entendemos totalmente, "diz Jarillo-Herrero. O material se estrutura naturalmente em" camadas bidimensionais soltas empilhadas umas sobre as outras, "uma espécie de maço de papéis, ele diz.

Dentro dessas camadas, a distribuição de elétrons forma uma "função de onda de densidade de carga, "um conjunto de faixas semelhantes a ondulações de regiões alternadas onde os elétrons são mais ou menos compactados. Essas faixas podem então formar padrões helicoidais, como a estrutura de uma molécula de DNA ou uma escada em espiral, que giram para a direita ou para a esquerda.

Normalmente, o material conteria quantidades iguais das versões para destros e canhotos dessas ondas de densidade de carga, e os efeitos da lateralidade seriam cancelados na maioria das medidas. Mas sob a influência da luz polarizada, Ma diz, "descobrimos que podemos fazer o material preferir principalmente uma dessas quiralidades. E então podemos sondar sua quiralidade usando outro feixe de luz." É semelhante à maneira como um campo magnético pode induzir uma orientação magnética em um metal onde normalmente suas moléculas são orientadas aleatoriamente e, portanto, não têm efeito magnético líquido.

Mas induzir tal efeito na quiralidade com luz dentro de um material sólido é algo "que ninguém fez antes, "Gedik explica.

Depois de induzir a direcionalidade particular usando a luz polarizada circularmente, "podemos detectar que tipo de quiralidade existe no material a partir da direção da corrente elétrica gerada opticamente, "Xu acrescenta. Então, essa direção pode ser trocada para a outra orientação se uma fonte de luz polarizada opostamente brilhar no material.

Gedik diz que embora alguns experimentos anteriores tenham sugerido que tais fases quirais eram possíveis neste material, "houve experiências conflitantes, "então não estava claro até agora se o efeito era real. Embora seja muito cedo neste trabalho para prever quais aplicações práticas tal sistema poderia ter, a capacidade de controlar o comportamento eletrônico de um material com apenas um feixe de luz, ele diz, poderia ter um potencial significativo.

Embora este estudo tenha sido realizado com um material específico, os pesquisadores dizem que os mesmos princípios podem funcionar com outros materiais também. O material que eles usaram, disseleneto de titânio, é amplamente estudado para usos potenciais em dispositivos quânticos, e pesquisas adicionais também podem oferecer insights sobre o comportamento de materiais supercondutores.

Gedik diz que essa forma de induzir mudanças no estado eletrônico do material é uma nova ferramenta que poderia ser aplicada de forma mais ampla. “Essa interação com a luz é um fenômeno que será muito útil em outros materiais também, não apenas material quiral, mas suspeito de afetar outros tipos de ordens também, " ele diz.

E, enquanto a quiralidade é bem conhecida e difundida em moléculas biológicas e em alguns fenômenos magnéticos, "esta é a primeira vez que mostramos que isso está acontecendo nas propriedades eletrônicas de um sólido, "Jarillo-Herrero diz.

"Os autores descobriram duas coisas novas, "diz Jasper van Wezel, um professor da Universidade de Amsterdam, que não fazia parte da equipe de pesquisa. Ele disse que as novas descobertas são "uma nova maneira de testar se um material é quiral ou não, e uma maneira de aumentar a quiralidade geral em um grande pedaço de material. Ambos os avanços são significativos. O primeiro como um complemento à caixa de ferramentas experimental dos cientistas de materiais, o segundo como uma forma de engenharia de materiais com propriedades desejáveis ​​em termos de sua interação com a luz. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.