Sommige moleculen, waaronder de meeste in levende organismen, vormen hebben die in twee verschillende spiegelbeeldversies kunnen voorkomen. De rechts- en linkshandige versies kunnen soms verschillende eigenschappen hebben, zodanig dat slechts één van hen de functies van het molecuul vervult. Nutsvoorzieningen, een team van natuurkundigen heeft ontdekt dat een soortgelijk asymmetrisch patroon naar believen kan worden geïnduceerd en gemeten in bepaalde exotische materialen, een speciaal soort lichtstraal gebruiken om het materiaal te stimuleren.

In dit geval, het fenomeen van "handigheid, " bekend als chiraliteit, komt niet voor in de structuur van de moleculen zelf, maar in een soort patroon in de dichtheid van elektronen in het materiaal. De onderzoekers ontdekten dat deze asymmetrische patronen kunnen worden veroorzaakt door een circulair gepolariseerd midden-infrarood licht op een ongewoon materiaal te schijnen. een vorm van overgangsmetaal dichalcogenide halfmetaal genaamd TiSe2, of titaniumdiselenide.

De nieuwe bevindingen, die nieuwe onderzoeksgebieden zouden kunnen openen in de optische controle van kwantummaterialen, worden vandaag beschreven in het tijdschrift Natuur in een paper van MIT-postdocs Suyang Xu en Qiong Ma, professoren Nuh Gedik en Pablo Jarillo-Herrero, en 15 collega's aan het MIT en andere universiteiten in de VS, China, Taiwan, Japan, en Singapore.

Het team ontdekte dat, hoewel titaniumdiselenide bij kamertemperatuur geen chiraliteit heeft, naarmate de temperatuur daalt, bereikt het een kritiek punt waarop de balans tussen rechtshandige en linkshandige elektronische configuraties wordt verstoord en één type begint te domineren. Ze ontdekten dat dit effect kon worden gecontroleerd en versterkt door circulair gepolariseerd midden-infrarood licht op het materiaal te schijnen, en dat de handigheid van het licht (of de polarisatie nu met de klok mee of tegen de klok in draait) de chiraliteit bepaalt van de resulterende patroonvorming van elektronendistributie.

"Het is een onconventioneel materiaal, een die we niet helemaal begrijpen, ", zegt Jarillo-Herrero. Het materiaal structureert zichzelf van nature in "losjes op elkaar gestapelde tweedimensionale lagen, "Een beetje als een stapel papieren, hij zegt.

Binnen die lagen, de verdeling van elektronen vormt een "ladingsdichtheidsgolffunctie, " een reeks rimpelachtige strepen van afwisselende gebieden waar de elektronen dichter of minder dicht opeengepakt zijn. Deze strepen kunnen dan spiraalvormige patronen vormen, zoals de structuur van een DNA-molecuul of een wenteltrap, die naar rechts of naar links draaien.

Gewoonlijk, het materiaal zou gelijke hoeveelheden van de rechts- en linkshandige versies van deze ladingsdichtheidsgolven bevatten, en de effecten van handigheid zouden in de meeste metingen teniet worden gedaan. Maar onder invloed van het gepolariseerde licht, mama zegt, "We ontdekten dat we ervoor kunnen zorgen dat het materiaal meestal de voorkeur geeft aan een van deze chiraliteiten. En dan kunnen we de chiraliteit ervan onderzoeken met een andere lichtstraal." Het is vergelijkbaar met de manier waarop een magnetisch veld een magnetische oriëntatie in een metaal kan induceren, waar gewoonlijk de moleculen willekeurig zijn georiënteerd en dus geen netto magnetisch effect hebben.

Maar het induceren van een dergelijk effect in de chiraliteit met licht in een vaste stof is iets wat "niemand ooit eerder deed, ' legt Gedik uit.

Na het induceren van de specifieke directionaliteit met behulp van het circulair gepolariseerde licht, "We kunnen detecteren wat voor soort chiraliteit er in het materiaal is vanuit de richting van de optisch gegenereerde elektrische stroom, " voegt Xu toe. Dan, die richting kan worden omgeschakeld naar de andere oriëntatie als een tegengesteld gepolariseerde lichtbron op het materiaal schijnt.

Gedik zegt dat hoewel sommige eerdere experimenten hadden gesuggereerd dat dergelijke chirale fasen in dit materiaal mogelijk waren, "Er waren tegenstrijdige experimenten, " dus het was tot nu toe onduidelijk of het effect echt was. Hoewel het nog te vroeg in dit werk is om te voorspellen welke praktische toepassingen zo'n systeem zou kunnen hebben, het vermogen om het elektronische gedrag van een materiaal te controleren met slechts een lichtstraal, hij zegt, aanzienlijk potentieel zou kunnen hebben.

Hoewel deze studie werd uitgevoerd met één specifiek materiaal, de onderzoekers zeggen dat dezelfde principes ook met andere materialen kunnen werken. Het materiaal dat ze gebruikten, titanium diselenide, wordt veel bestudeerd voor mogelijke toepassingen in kwantumapparaten, en verder onderzoek ernaar kan ook inzicht bieden in het gedrag van supergeleidende materialen.

Gedik zegt dat deze manier om veranderingen in de elektronische toestand van het materiaal teweeg te brengen een nieuw hulpmiddel is dat mogelijk breder kan worden toegepast. "Deze interactie met licht is een fenomeen dat ook heel nuttig zal zijn in andere materialen, niet alleen chiraal materiaal, maar ik vermoed dat het ook van invloed is op andere soorten orders, " hij zegt.

En, terwijl chiraliteit algemeen bekend en wijdverbreid is in biologische moleculen en in sommige magnetische verschijnselen, "Dit is de eerste keer dat we hebben aangetoond dat dit gebeurt in de elektronische eigenschappen van een vaste stof, ' zegt Jarillo-Herrero.

"De auteurs hebben twee nieuwe dingen ontdekt, " zegt Jasper van Wezel, hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam, die geen deel uitmaakte van het onderzoeksteam. Hij zei dat de nieuwe bevindingen "een nieuwe manier zijn om te testen of een materiaal al dan niet chiraal is, en een manier om de algehele chiraliteit in een groot stuk materiaal te verbeteren. Beide doorbraken zijn belangrijk. De eerste als aanvulling op de experimentele gereedschapskist van materiaalwetenschappers, de tweede als een manier om materialen te ontwerpen met gewenste eigenschappen in termen van hun interactie met licht."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.