Pulsos de terahercios inducen la quiralidad en un cristal no quiral
"Este descubrimiento abre nuevas posibilidades para el control dinámico de la materia a nivel atómico"
La quiralidad es una propiedad fundamental de la materia que determina muchos fenómenos biológicos, químicos y físicos. Los sólidos quirales, por ejemplo, ofrecen interesantes oportunidades para la catálisis, la detección y los dispositivos ópticos al permitir interacciones únicas con moléculas quirales y luz polarizada. Sin embargo, estas propiedades se establecen cuando se cultiva el material, es decir, los enantiómeros izquierdo y derecho no pueden convertirse el uno en el otro sin fundirse y recristalizarse. Investigadores del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) y de la Universidad de Oxford han demostrado que la luz de terahercios puede inducir la quiralidad en un cristal no quiral, permitiendo la aparición de enantiómeros zurdos o diestros a voluntad. El hallazgo, publicado en Science, abre interesantes posibilidades para explorar nuevos fenómenos de no equilibrio en materiales complejos.
La luz de terahercios tiene la capacidad de controlar los sólidos a nivel atómico, formando estructuras quirales de zurdos y diestros.
Zhiyang Zeng (MPSD)
La quiralidad se refiere a objetos que no pueden superponerse a sus imágenes especulares mediante ninguna combinación de rotaciones o traslaciones, como las manos izquierda y derecha de un ser humano. En los cristales quirales, la disposición espacial de los átomos confiere una "lateralidad" específica que, por ejemplo, influye en sus propiedades ópticas y eléctricas.
El equipo de Hamburgo-Oxford se centró en los llamados antiferrocristales quirales, un tipo de cristales no quirales que recuerdan a los materiales antiferromagnéticos, en los que los momentos magnéticos se desalinean siguiendo un patrón escalonado que conduce a una magnetización neta decreciente. Un cristal antiferrociral se compone de cantidades equivalentes de subestructuras diestras y zurdas en una celda unitaria, lo que lo convierte en un cristal no quiral.
El equipo de investigadores, dirigido por Andrea Cavalleri, utilizó luz de terahercios para eliminar este equilibrio en el material no quiral fosfato de boro (BPO4), induciendo así la quiralidad finita en una escala de tiempo ultrarrápida. "Aprovechamos un mecanismo denominado fonónica no lineal", explica Zhiyang Zeng, autor principal del trabajo. "Excitando un modo vibracional específico de frecuencia de terahercios, que desplaza la red cristalina a lo largo de las coordenadas de otros modos del material, creamos un estado quiral que sobrevive durante varios picosegundos", añade. "Además, al girar 90 grados la polarización de la luz de terahercios, pudimos inducir selectivamente una estructura quiral izquierda o derecha", añade Michael Först.
"Este descubrimiento abre nuevas posibilidades para el control dinámico de la materia a nivel atómico", afirma Andrea Cavalleri, jefe de grupo del MPSD. "Nos entusiasma ver las aplicaciones potenciales de esta tecnología y cómo puede utilizarse para crear funcionalidades únicas". La capacidad de inducir la quiralidad en materiales no quirales podría dar lugar a nuevas aplicaciones en dispositivos de memoria ultrarrápida o plataformas optoelectrónicas aún más sofisticadas."
Este trabajo ha recibido financiación de la Deutsche Forschungsgemeinschaft a través del Cluster of Excellence 'CUI: Advanced Imaging of Matter'. El MPSD es miembro del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), una empresa conjunta con DESY y la Universidad de Hamburgo.
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