Los científicos utilizaron rayos X en espiral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) para observar, por primera vez, una propiedad que da la mano a los patrones eléctricos arremolinados, llamados vórtices polares, en un material sintético en capas.

Esta propiedad, también conocido como quiralidad, potencialmente abre una nueva forma de almacenar datos controlando la mano izquierda o derecha en la matriz del material de la misma manera que se manipulan los materiales magnéticos para almacenar datos como unos o ceros en la memoria de una computadora.

Los investigadores dijeron que el comportamiento también podría explorarse para acoplarlo a dispositivos magnéticos u ópticos (basados ​​en la luz). lo que podría permitir un mejor control mediante conmutación eléctrica.

La quiralidad está presente en muchas formas y en muchas escalas, desde el diseño de escalera de caracol de nuestro propio ADN hasta el giro y la deriva de las galaxias espirales; incluso puede determinar si una molécula actúa como medicamento o como veneno en nuestro cuerpo.

Un compuesto molecular conocido como d-glucosa, por ejemplo, que es un ingrediente esencial para la vida humana como forma de azúcar, exhibe ser diestro. Su contraparte zurda, l-glucosa, aunque, no es útil en biología humana.

"La quiralidad no se había visto antes en esta estructura eléctrica, "dijo Elke Arenholz, un científico senior de la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab, que alberga las radiografías que fueron clave para el estudio, publicado el 15 de enero en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Los experimentos pueden distinguir entre quiralidad zurda y quiralidad diestra en los vórtices de las muestras. "Esto ofrece nuevas oportunidades para una ciencia fundamentalmente nueva, con el potencial de abrir aplicaciones, " ella dijo.

"Imagínese que uno pudiera convertir una forma diestra de una molécula en su forma zurda aplicando un campo eléctrico, o diseñar artificialmente un material con una quiralidad particular, "dijo Ramamoorthy Ramesh, un científico senior de la facultad en la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley y director asociado del laboratorio del Área de Tecnologías Energéticas del Laboratorio, quien codirigió el último estudio.

Ramesh, quien también es profesor de ciencia de materiales y física en UC Berkeley, hechos a medida los materiales novedosos en UC Berkeley.

Padraic Shafer, un científico investigador de la ALS y el autor principal del estudio, trabajó con Arenholz para llevar a cabo los experimentos de rayos X que revelaron la quiralidad del material.

Las muestras incluían una capa de titanato de plomo (PbTiO3) y una capa de titanato de estroncio (SrTiO3) intercaladas en un patrón alterno para formar un material conocido como superrejilla. Los materiales también han sido estudiados por sus propiedades eléctricas ajustables que los hacen candidatos para componentes en sensores precisos y para otros usos.

Ninguno de los dos compuestos muestra destreza por sí mismos, pero cuando se combinaron en la superrejilla en capas con precisión, desarrollaron las estructuras de remolinos de vórtice que exhibían quiralidad.

"La quiralidad puede tener una funcionalidad adicional, "Shafer dijo, en comparación con dispositivos que utilizan campos magnéticos para reorganizar la estructura magnética del material.

Los patrones electrónicos en el material que se estudiaron en la ALS se revelaron por primera vez utilizando un potente microscopio electrónico en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica de Berkeley Lab. una parte de la Fundición Molecular del Laboratorio, aunque se necesitó una técnica de rayos X especializada para identificar su quiralidad.

"Las mediciones de rayos X tuvieron que realizarse en geometrías extremas que no pueden realizarse con la mayoría de los equipos experimentales, "Shafer dijo, utilizando una técnica conocida como difracción resonante de rayos X suaves que sondea detalles periódicos a escala nanométrica en su estructura y propiedades electrónicas.

Formas espirales de rayos X, conocidos como rayos X polarizados circularmente, permitió a los investigadores medir la quiralidad tanto para zurdos como para diestros en las muestras.

Arenholz, quien también es miembro de la facultad del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UC Berkeley, adicional, "Me llevó mucho tiempo comprender los resultados, y mucho modelado y discusiones. ”Los teóricos de la Universidad de Cantabria en España y su red de expertos computacionales realizaron cálculos de las estructuras de vórtice que ayudaron en la interpretación de los datos de rayos X.

El mismo equipo científico está realizando estudios de otros tipos y combinaciones de materiales para probar los efectos sobre la quiralidad y otras propiedades.

"Existe una amplia clase de materiales que podrían sustituirse, "Shafer dijo, "y existe la esperanza de que las capas puedan reemplazarse con materiales de funcionalidad aún mayor".

Los investigadores también planean probar si existen nuevas formas de controlar la quiralidad en estos materiales en capas, por ejemplo, combinando materiales que tienen propiedades conmutables eléctricamente con aquellos que exhiben propiedades conmutables magnéticamente.

"Como sabemos tanto sobre estructuras magnéticas, "Arenholz dijo, "Podríamos pensar en utilizar esta conocida conexión con el magnetismo para implementar esta propiedad recién descubierta en los dispositivos".