Un equipo de investigación del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) ha encontrado la primera evidencia de que un movimiento de agitación en la estructura de un material atómicamente delgado (2-D) posee una rotación circular natural.

Esta rotación podría convertirse en la piedra angular de una nueva forma de tecnología de la información, y para el diseño de rotores a escala molecular para accionar motores y máquinas microscópicas.

El material monocapa, diselenuro de tungsteno (WSe ₂ ), ya es bien conocido por su capacidad inusual para mantener propiedades electrónicas especiales que son mucho más fugaces en otros materiales.

Se considera un candidato prometedor para una forma codiciada de almacenamiento de datos conocida como valleytronics, por ejemplo, en el que el impulso y el movimiento ondulatorio de los electrones en un material se pueden clasificar en "valles" opuestos en la estructura electrónica de un material, cada uno de estos valles representa los unos y los ceros en los datos binarios convencionales.

La electrónica moderna generalmente se basa en manipulaciones de la carga de electrones para transportar y almacenar información, aunque a medida que la electrónica se miniaturiza cada vez más, está más sujeta a problemas asociados con la acumulación de calor y las fugas eléctricas.

El último estudio, publicado en línea esta semana en la revista Ciencias , proporciona un posible camino para superar estos problemas. Informa que algunos de los fonones del material, un término que describe vibraciones colectivas en cristales atómicos, están girando naturalmente en una determinada dirección.

Esta propiedad se conoce como quiralidad, similar a la mano derecha de una persona, en la que la mano izquierda y la derecha son una imagen especular entre sí, pero no idénticas. Controlar la dirección de esta rotación proporcionaría un mecanismo estable para transportar y almacenar información.

"Los fonones en los sólidos generalmente se consideran el movimiento lineal colectivo de los átomos, "dijo Xiang Zhang, el autor correspondiente del estudio y científico principal de la División de Ciencia de Materiales del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y profesor en UC Berkeley. "Nuestro experimento descubrió un nuevo tipo de los llamados fonones quirales donde los átomos se mueven en círculos en un cristal monocapa atómico de diselenuro de tungsteno".

Hanyu Zhu, el autor principal del estudio e investigador postdoctoral en el grupo de Zhang, dijo, "Una de las mayores ventajas del fonón quiral es que la rotación se bloquea con el impulso de la partícula y no se altera fácilmente".

En el modo fonón estudiado, los átomos de selenio parecen girar colectivamente en el sentido de las agujas del reloj, mientras que los átomos de tungsteno no mostraron movimiento. Los investigadores prepararon un "sándwich" con cuatro hojas de muestras de WSe2 monocapa del tamaño de un centímetro colocadas entre finos cristales de zafiro. Sincronizaron láseres ultrarrápidos para registrar los movimientos dependientes del tiempo.

Las dos fuentes láser convergieron en un punto de las muestras que medían solo 70 millonésimas de metro de diámetro. Uno de los láseres se cambió con precisión entre dos modos de sintonización diferentes para detectar la diferencia entre la actividad del fonón quiral izquierdo y derecho.

Un llamado láser de bomba producido visible, pulsos de luz roja que excitaron las muestras, y un láser de sonda produjo pulsos en el infrarrojo medio que siguieron al primer pulso de la bomba en una billonésima de segundo. Aproximadamente un fotón de infrarrojo medio de cada 100 millones es absorbido por WSe2 y se convierte en un fonón quiral.

Luego, los investigadores capturaron la luminiscencia de alta energía de la muestra, una firma de este raro evento de absorción. A través de esta técnica, conocida como espectroscopia infrarroja transitoria, los investigadores no solo confirmaron la existencia de un fonón quiral, sino que también obtuvieron con precisión su frecuencia de rotación.

Hasta aquí, el proceso solo produce una pequeña cantidad de fonones quirales. Un próximo paso en la investigación será generar un mayor número de fonones rotativos, y para saber si las agitaciones vigorosas en el cristal pueden usarse para cambiar el giro de los electrones o para alterar significativamente las propiedades de los valles del material. El giro es una propiedad inherente de un electrón que se puede considerar como la aguja de su brújula:si pudiera girarse para apuntar hacia el norte o el sur, podría usarse para transmitir información en una nueva forma de electrónica llamada espintrónica.

"El control potencial basado en fonones de electrones y espines para aplicaciones de dispositivos es muy emocionante y está al alcance de la mano, "Dijo Zhu." Ya probamos que los fonones son capaces de cambiar el valle electrónico. Además, este trabajo permite la posibilidad de utilizar los átomos rotativos como pequeños imanes para guiar la orientación del espín ".

Las propiedades quirales encontradas en el estudio probablemente existan en una amplia gama de materiales 2-D basados ​​en un patrón similar en su estructura atómica. Zhu también señaló, y agregó que el estudio podría orientar las investigaciones teóricas de las interacciones electrón-fonón y el diseño de materiales para mejorar los efectos basados ​​en fonones.

"El mismo principio funciona en todas las estructuras periódicas 2-D con simetría triple y asimetría de inversión", dijo Zhu. "El mismo principio cubre una gran familia de materiales naturales, y hay posibilidades casi infinitas de crear rotores a escala molecular ".