Ligesom mennesker kan være venstre- eller højrehåndede, forskere har observeret chiralitet eller "hænder" i hvirvlende elektriske hvirvler i et lagdelt materiale. Kredit:Pixabay
Forskere brugte spiralformede røntgenstråler ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) til at observere, for første gang, en egenskab, der giver håndværk til hvirvlende elektriske mønstre - kaldet polare hvirvler - i et syntetisk lagdelt materiale.
Denne ejendom, også kendt som chiralitet, muligvis åbner en ny måde at gemme data ved at styre venstre- eller højrehåndethed i materialets array på omtrent samme måde, som magnetiske materialer manipuleres til at gemme data som ener eller nuller i en computers hukommelse.
Forskere sagde, at adfærden også kunne undersøges for kobling til magnetiske eller optiske (lysbaserede) enheder, hvilket kunne muliggøre bedre kontrol via elektrisk omskiftning.
Chiralitet er til stede i mange former og i mange skalaer, fra spiraltrappedesignet af vores eget DNA til spiralgalaksers spin og drift; det kan endda afgøre, om et molekyle virker som en medicin eller en gift i vores kroppe.
En molekylær forbindelse kendt som d-glucose, for eksempel, som er en vigtig ingrediens for menneskeliv som en form for sukker, udviser højrehåndethed. Dens venstrehåndede modstykke, l-glukose, selvom, er ikke nyttig i menneskelig biologi.
"Chiralitet var ikke set før i denne elektriske struktur, "sagde Elke Arenholz, seniorforsker ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), som er hjemsted for de røntgenstråler, der var nøglen til undersøgelsen, offentliggjort 15. januar i tidsskriftet Procedurer fra National Academy of Sciences .
Forsøgene kan skelne mellem venstrehåndet chiralitet og højrehåndet chiralitet i prøvernes hvirvler. "Dette giver nye muligheder for fundamentalt ny videnskab, med potentiale til at åbne applikationer, " hun sagde.
"Forestil dig, at man kunne konvertere en højrehåndet form af et molekyle til dets venstrehåndede form ved at anvende et elektrisk felt, eller kunstigt konstruere et materiale med en særlig kiralitet, "sagde Ramamoorthy Ramesh, en fakultets seniorforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og associeret laboratoriedirektør for Labs Energy Technologies Area, der ledede den seneste undersøgelse.
Ramesh, som også er professor i materialevidenskab og fysik ved UC Berkeley, skræddersyede de nye materialer til UC Berkeley.
Padraic Shafer, en forsker ved ALS og hovedforfatteren af undersøgelsen, arbejdede sammen med Arenholz for at udføre røntgenforsøgene, der afslørede materialets chiralitet.
Dette diagram viser opsætningen til røntgenforsøget, der undersøgte kiralitet, eller håndethed, i et lagdelt materiale. De blå og røde spiraler øverst til venstre viser det røntgenlys, der blev brugt til at undersøge materialet. Røntgenstrålerne spredt ud af lagene af materialet (pile øverst til højre og tilhørende røntgenbilleder øverst), tillader forskere at måle chiralitet i hvirvlende elektriske hvirvler i materialet. Kredit:Berkeley Lab
Prøverne inkluderede et lag blytitanat (PbTiO3) og et lag strontiumtitanat (SrTiO3) klemt sammen i et skiftevis mønster for at danne et materiale kendt som en supergitter. Materialerne er også blevet undersøgt for deres afstembare elektriske egenskaber, der gør dem kandidater til komponenter i præcise sensorer og til andre anvendelser.
Ingen af de to forbindelser viser nogen håndethed af sig selv, men da de blev kombineret til det præcist lagdelte supergitter, de udviklede de hvirvlende hvirvelstrukturer, der udviste kiralitet.
"Chiralitet kan have yderligere funktionalitet, "Sagde Shafer, sammenlignet med enheder, der bruger magnetfelter til at omarrangere materialets magnetiske struktur.
De elektroniske mønstre i materialet, der blev undersøgt ved ALS, blev først afsløret ved hjælp af et kraftfuldt elektronmikroskop på Berkeley Labs nationale center for elektronmikroskopi, en del af laboratoriets molekylære støberi, skønt det tog en specialiseret røntgenteknik for at identificere deres kiralitet.
"Røntgenmålingerne skulle udføres i ekstreme geometrier, der ikke kan udføres af det fleste eksperimentelle udstyr, "Sagde Shafer, ved hjælp af en teknik kendt som resonant blød røntgendiffraktion, der sonderer periodiske detaljer i nanometer-skala i deres elektroniske struktur og egenskaber.
Spiralform af røntgenstråler, kendt som cirkulært polariserede røntgenstråler, tillod forskere at måle både venstre- og højrehåndet chiralitet i prøverne.
Arenholz, som også er fakultetsmedlem i UC Berkeley Department of Materials Science &Engineering, tilføjet, "Det tog meget tid at forstå resultaterne, og en masse modellering og diskussioner. "Teoretikere ved University of Cantabria i Spanien og deres netværk af beregningseksperter udførte beregninger af hvirvelstrukturer, der hjalp med fortolkningen af røntgendataene.
Det samme videnskabsteam forfølger undersøgelser af andre typer og kombinationer af materialer for at teste virkningerne på kiralitet og andre egenskaber.
"Der er en bred klasse af materialer, der kan erstattes, "Sagde Shafer, "og der er håb om, at lagene kan erstattes med endnu højere funktionalitetsmaterialer."
Forskere planlægger også at teste, om der er nye måder at kontrollere chiraliteten i disse lagdelte materialer, såsom ved at kombinere materialer, der har elektrisk omskiftelige egenskaber, med dem, der udviser magnetisk omskiftelige egenskaber.
"Da vi ved så meget om magnetiske strukturer, "Sagde Arenholz, "vi kunne tænke os at bruge denne velkendte forbindelse med magnetisme til at implementere denne nyopdagede ejendom i enheder."
Sidste artikelKvantfysik blev til en håndgribelig virkelighed
Næste artikelBanebrydende eksperiment vil teste kvanteteoriens grænser