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Feixes de luz polarizada circularmente (mostrados em espirais azuis) podem ter duas orientações diferentes para imagens espelhadas, como mostrado aqui. Quando esses feixes atingem uma folha de diseleneto de titânio (mostrado como uma treliça de bolas azuis e prateadas), os elétrons (pontos aquáticos) no material assumem a capacidade de polarização da luz. Crédito: Ella Maru Studio
Algumas moléculas, incluindo a maioria dos organismos vivos, têm formas que podem existir em duas versões diferentes de imagens espelhadas. Às vezes, as versões para destros e canhotos podem ter propriedades diferentes, de modo que apenas uma delas desempenha as funções da molécula. Agora, uma equipe de físicos descobriu que um padrão similarmente assimétrico pode ser induzido e medido à vontade em certos materiais exóticos, usando um tipo especial de feixe de luz para estimular o material.
Nesse caso, o fenômeno da "mão", conhecido como quiralidade , ocorre não na estrutura das próprias moléculas, mas em um tipo de padrão na densidade de elétrons no material. Os pesquisadores descobriram que esse padrão assimétrico pode ser induzido pelo brilho de uma luz infravermelha polarizada circularmente em um material incomum, uma forma de dichalcogeneto de metal de transição semimetal chamado TiSe2, ou diseleneto de titânio.
As novas descobertas, que podem abrir novas áreas de pesquisa no controle óptico de materiais quânticos, são descritas hoje na revista Nature em um artigo dos pós-doutorandos do MIT Suyang Xu e Qiong Ma, professores Nuh Gedik e Pablo Jarillo-Herrero, e 15 colegas do MIT e de outras universidades nos EUA, China, Taiwan, Japão e Cingapura.
A equipe descobriu que, embora a diseleneto de titânio à temperatura ambiente não tenha quiralidade, à medida que a temperatura diminui, chega a um ponto crítico em que o equilíbrio das configurações eletrônicas para destros e canhotos é descartado e um tipo começa a dominar. Eles descobriram que esse efeito pode ser controlado e aprimorado brilhando a luz infravermelha polarizada circularmente no material e que a capacidade da luz (se a polarização gira no sentido horário ou anti-horário) determina a quiralidade do padrão resultante da distribuição de elétrons.
"É um material não convencional, que não entendemos completamente", diz Jarillo-Herrero. O material naturalmente se estrutura em "camadas bidimensionais livremente empilhadas umas sobre as outras", como uma pilha de papéis, diz ele.
Nessas camadas, a distribuição de elétrons forma uma "função de onda de densidade de carga", um conjunto de faixas semelhantes a ondulações de regiões alternadas, onde os elétrons são mais ou menos densos. Essas faixas podem formar padrões helicoidais, como a estrutura de uma molécula de DNA ou uma escada em espiral, que se torce para a direita ou para a esquerda.
Normalmente, o material conteria quantidades iguais das versões destro e canhoto dessas ondas de densidade de carga, e os efeitos da destreza seriam cancelados na maioria das medições. Mas, sob a influência da luz polarizada, diz Ma, "descobrimos que podemos fazer com que o material prefira principalmente uma dessas quiralidades. E então podemos sondar sua quiralidade usando outro feixe de luz". É semelhante à maneira como um campo magnético pode induzir uma orientação magnética em um metal, onde normalmente suas moléculas são orientadas aleatoriamente e, portanto, não têm efeito magnético líquido.
Mas induzir esse efeito na quiralidade com luz dentro de um material sólido é algo que "ninguém jamais fez antes", explica Gedik.
Após induzir a direcionalidade específica usando a luz polarizada circularmente, "podemos detectar que tipo de quiralidade existe no material a partir da direção da corrente elétrica gerada opticamente", acrescenta Xu. Então, essa direção pode ser alterada para a outra orientação se uma fonte de luz polarizada oposta brilhar no material.
Gedik diz que, embora alguns experimentos anteriores tenham sugerido que tais fases quirais eram possíveis neste material ", houve experimentos conflitantes", então não estava claro até agora se o efeito era real. Embora seja muito cedo neste trabalho para prever quais aplicações práticas esse sistema pode ter, a capacidade de controlar o comportamento eletrônico de um material com apenas um feixe de luz, diz ele, pode ter um potencial significativo.
Embora este estudo tenha sido realizado com um material específico, os pesquisadores dizem que os mesmos princípios podem funcionar com outros materiais também. O material usado, o diseleneto de titânio, é amplamente estudado para possíveis usos em dispositivos quânticos, e pesquisas adicionais sobre ele também podem oferecer insights sobre o comportamento de materiais supercondutores.
Gedik diz que essa maneira de induzir mudanças no estado eletrônico do material é uma nova ferramenta que poderia ser aplicada de forma mais ampla. "Essa interação com a luz é um fenômeno que também será muito útil em outros materiais, não apenas no material quiral, mas suspeito que isso também afeta outros tipos de pedidos", diz ele.
E, embora a quiralidade seja bem conhecida e difundida em moléculas biológicas e em alguns fenômenos magnéticos, "é a primeira vez que mostramos que isso está acontecendo nas propriedades eletrônicas de um sólido", diz Jarillo-Herrero.
"Os autores descobriram duas coisas novas", diz Jasper van Wezel, professor da Universidade de Amsterdã, que não fazia parte da equipe de pesquisa. Ele disse que as novas descobertas são "uma nova maneira de testar se um material é quiral ou não, e uma maneira de melhorar a quiralidade geral em um grande pedaço de material. Ambas as descobertas são significativas. A primeira como uma adição à caixa de ferramentas experimental de cientistas de materiais, o segundo como uma forma de projetar materiais com propriedades desejáveis em termos de interação com a luz".
Explorar mais
Mais informações: Su-Yang Xu et al., Ordem eletrônica girotrópica espontânea em um dichalcogeneto de metal de transição, Nature (2020). DOI: 10.1038 / s41586-020-2011-8
Informações da revista: Nature
Fornecido pelo Massachusetts Institute of Technology
Fonte: Phys News / por David Chandler, Instituto de Tecnologia de Massachusetts / 27/02/2020
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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica,
Astrobiologia e Climatologia).
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