Algunas moléculas incluyendo la mayoría de los de los organismos vivos, tienen formas que pueden existir en dos versiones diferentes de imagen especular. Las versiones para diestros y zurdos a veces pueden tener propiedades diferentes, de manera que solo uno de ellos realiza las funciones de la molécula. Ahora, un equipo de físicos ha descubierto que un patrón asimétrico similar puede ser inducido y medido a voluntad en ciertos materiales exóticos, utilizando un tipo especial de haz de luz para estimular el material.

En este caso, el fenómeno de la "mano derecha, "conocido como quiralidad, no ocurre en la estructura de las moléculas mismas, pero en una especie de patrón en la densidad de electrones dentro del material. Los investigadores encontraron que este patrón asimétrico se puede inducir al hacer brillar una luz infrarroja media polarizada circularmente sobre un material inusual, una forma de semimetal dicalcogenuro de metal de transición llamado TiSe2, o diselenuro de titanio.

Los nuevos hallazgos, lo que podría abrir nuevas áreas de investigación en el control óptico de materiales cuánticos, se describen hoy en la revista Naturaleza en un artículo de los postdoctorados del MIT Suyang Xu y Qiong Ma, los profesores Nuh Gedik y Pablo Jarillo-Herrero, y 15 colegas del MIT y otras universidades de EE. UU., Porcelana, Taiwán Japón, y Singapur.

El equipo descubrió que, si bien el diselenuro de titanio a temperatura ambiente no tiene quiralidad, a medida que su temperatura disminuye, alcanza un punto crítico en el que el equilibrio de las configuraciones electrónicas para diestros y zurdos se pierde y un tipo comienza a dominar. Descubrieron que este efecto podría controlarse y mejorarse al iluminar el material con luz infrarroja media polarizada circularmente, y que la orientación de la luz (si la polarización gira en sentido horario o antihorario) determina la quiralidad del patrón resultante de distribución de electrones.

"Es un material poco convencional, uno que no entendemos completamente, "dice Jarillo-Herrero. El material se estructura de forma natural en" capas bidimensionales sueltas una encima de la otra, "algo así como un fajo de papeles, él dice.

Dentro de esas capas, la distribución de electrones forma una "función de onda de densidad de carga, "un conjunto de franjas en forma de ondas de regiones alternas donde los electrones están más o menos empaquetados. Estas franjas pueden formar patrones helicoidales, como la estructura de una molécula de ADN o una escalera de caracol, que giran hacia la derecha o hacia la izquierda.

Ordinariamente, el material contendría cantidades iguales de las versiones para diestros y zurdos de estas ondas de densidad de carga, y los efectos del uso de las manos se anularían en la mayoría de las mediciones. Pero bajo la influencia de la luz polarizada, Ma dice, "Descubrimos que podemos hacer que el material prefiera en su mayoría una de estas quiralidades. Y luego podemos probar su quiralidad usando otro haz de luz". Es similar a la forma en que un campo magnético puede inducir una orientación magnética en un metal donde normalmente sus moléculas están orientadas al azar y, por lo tanto, no tienen un efecto magnético neto.

Pero inducir tal efecto en la quiralidad con la luz dentro de un material sólido es algo que "nadie había hecho antes, "Explica Gedik.

Después de inducir la direccionalidad particular usando la luz polarizada circularmente, "podemos detectar qué tipo de quiralidad hay en el material desde la dirección de la corriente eléctrica generada ópticamente, "Xu agrega. Entonces, esa dirección se puede cambiar a la otra orientación si una fuente de luz polarizada opuestamente brilla sobre el material.

Gedik dice que aunque algunos experimentos previos habían sugerido que tales fases quirales eran posibles en este material, "hubo experimentos contradictorios, "por lo que hasta ahora no estaba claro si el efecto era real. Aunque es demasiado pronto en este trabajo para predecir qué aplicaciones prácticas podría tener un sistema de este tipo, la capacidad de controlar el comportamiento electrónico de un material con solo un haz de luz, él dice, podría tener un potencial significativo.

Si bien este estudio se llevó a cabo con un material específico, los investigadores dicen que los mismos principios pueden funcionar también con otros materiales. El material que usaron, diselenuro de titanio, está ampliamente estudiado para usos potenciales en dispositivos cuánticos, y una mayor investigación al respecto también puede ofrecer información sobre el comportamiento de los materiales superconductores.

Gedik dice que esta forma de inducir cambios en el estado electrónico del material es una nueva herramienta que potencialmente podría aplicarse de manera más amplia. "Esta interacción con la luz es un fenómeno que será muy útil también en otros materiales, no solo material quiral, pero sospecho que también afecta a otros tipos de órdenes, " él dice.

Y, mientras que la quiralidad es bien conocida y está muy extendida en moléculas biológicas y en algunos fenómenos magnéticos, "esta es la primera vez que demostramos que esto sucede en las propiedades electrónicas de un sólido, "Dice Jarillo-Herrero.

"Los autores encontraron dos cosas nuevas, "dice Jasper van Wezel, profesor de la Universidad de Amsterdam, que no formaba parte del equipo de investigación. Dijo que los nuevos hallazgos son "una nueva forma de probar si un material es quiral o no, y una forma de mejorar la quiralidad general en una gran pieza de material. Ambos avances son significativos. El primero como una adición a la caja de herramientas experimentales de científicos de materiales, el segundo como una forma de diseñar materiales con propiedades deseables en términos de su interacción con la luz ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.