Wetenschappers gebruikten spiraalvormige röntgenstralen in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy om te observeren, Voor de eerste keer, een eigenschap die handigheid geeft aan wervelende elektrische patronen - polaire vortices genoemd - in een synthetisch gelaagd materiaal.

Dit pand, ook wel chiraliteit genoemd, opent mogelijk een nieuwe manier om gegevens op te slaan door de links- of rechtshandigheid in de array van het materiaal te regelen op vrijwel dezelfde manier als magnetische materialen worden gemanipuleerd om gegevens op te slaan als enen of nullen in het geheugen van een computer.

Onderzoekers zeiden dat het gedrag ook kan worden onderzocht voor koppeling met magnetische of optische (op licht gebaseerde) apparaten, die een betere controle via elektrische schakeling mogelijk zou kunnen maken.

Chiraliteit is aanwezig in vele vormen en op vele schalen, van het spiraalvormige trapontwerp van ons eigen DNA tot de spin en drift van spiraalstelsels; het kan zelfs bepalen of een molecuul in ons lichaam als medicijn of als gif werkt.

Een moleculaire verbinding die bekend staat als d-glucose, bijvoorbeeld, wat een essentieel ingrediënt is voor het menselijk leven als een vorm van suiker, rechtshandigheid vertoont. Zijn linkshandige tegenhanger, l-glucose, Hoewel, is niet bruikbaar in de menselijke biologie.

"Chiraliteit was nog niet eerder gezien in deze elektrische structuur, " zei Elke Arenholz, een senior stafwetenschapper bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), die de thuisbasis is van de röntgenfoto's die de sleutel waren tot de studie, gepubliceerd op 15 januari in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

De experimenten kunnen onderscheid maken tussen linkshandige chiraliteit en rechtshandige chiraliteit in de draaikolken van de monsters. "Dit biedt nieuwe kansen voor fundamenteel nieuwe wetenschap, met het potentieel om toepassingen te openen, " ze zei.

"Stel je voor dat je een rechtshandige vorm van een molecuul zou kunnen omzetten in zijn linkshandige vorm door een elektrisch veld aan te leggen, of kunstmatig een materiaal met een bepaalde chiraliteit te manipuleren, " zei Ramamoorthy Ramesh, een facultaire senior wetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en associate laboratoriumdirecteur van de Energy Technologies Area van het Lab, die de laatste studie leidde.

Ramesj, die ook hoogleraar materiaalkunde en natuurkunde is aan UC Berkeley, op maat gemaakte de nieuwe materialen bij UC Berkeley.

Padraïsche Shafer, een onderzoekswetenschapper bij de ALS en de hoofdauteur van de studie, werkte samen met Arenholz om de röntgenexperimenten uit te voeren die de chiraliteit van het materiaal aan het licht brachten.

De monsters bevatten een laag loodtitanaat (PbTiO3) en een laag strontiumtitanaat (SrTiO3) die in een afwisselend patroon aan elkaar zijn gesandwiched om een ​​materiaal te vormen dat bekend staat als een superrooster. De materialen zijn ook bestudeerd vanwege hun afstembare elektrische eigenschappen, waardoor ze kandidaten zijn voor componenten in nauwkeurige sensoren en voor ander gebruik.

Geen van de twee verbindingen vertoont op zichzelf enige handigheid, maar toen ze werden gecombineerd tot het precies gelaagde superrooster, ze ontwikkelden de wervelende vortexstructuren die chiraliteit vertoonden.

"Chiraliteit kan extra functionaliteit hebben, "Saffer zei, in vergelijking met apparaten die magnetische velden gebruiken om de magnetische structuur van het materiaal te herschikken.

De elektronische patronen in het materiaal dat werd bestudeerd aan de ALS werden voor het eerst onthuld met behulp van een krachtige elektronenmicroscoop in Berkeley Lab's National Center for Electron Microscopy, een onderdeel van de Molecular Foundry van het Lab, hoewel er een gespecialiseerde röntgentechniek voor nodig was om hun chiraliteit te identificeren.

"De röntgenmetingen moesten worden uitgevoerd in extreme geometrieën die niet kunnen worden gedaan door de meeste experimentele apparatuur, "Saffer zei, met behulp van een techniek die bekend staat als resonante zachte röntgendiffractie die periodieke details op nanometerschaal in hun elektronische structuur en eigenschappen onderzoekt.

Spiraalvormige vormen van röntgenstralen, bekend als circulair gepolariseerde röntgenstralen, stelden onderzoekers in staat om zowel linkshandige als rechtshandige chiraliteit in de monsters te meten.

Arenholz, die ook een faculteitslid is van de UC Berkeley Department of Materials Science &Engineering, toegevoegd, "Het kostte veel tijd om de resultaten te begrijpen, en veel modellering en discussies." Theoretici van de Universiteit van Cantabrië in Spanje en hun netwerk van computerexperts voerden berekeningen uit van de vortexstructuren die hielpen bij de interpretatie van de röntgengegevens.

Hetzelfde wetenschappelijke team doet onderzoek naar andere soorten en combinaties van materialen om de effecten op chiraliteit en andere eigenschappen te testen.

"Er is een brede klasse van materialen die kunnen worden vervangen, "Saffer zei, "en er is de hoop dat de lagen kunnen worden vervangen door materialen met nog hogere functionaliteit."

Onderzoekers zijn ook van plan om te testen of er nieuwe manieren zijn om de chiraliteit in deze gelaagde materialen te beheersen, zoals door materialen die elektrisch schakelbare eigenschappen hebben te combineren met materialen die magnetisch schakelbare eigenschappen vertonen.

"Omdat we zoveel weten over magnetische structuren, "Arenholz zei, "We zouden kunnen denken aan het gebruik van deze bekende verbinding met magnetisme om deze nieuw ontdekte eigenschap in apparaten te implementeren."