Metode med polariseret lys kan skabe og måle usymmetriske tilstande i et lagdelt materiale

Nogle molekyler, herunder de fleste af dem i levende organismer, har former, der kan eksistere i to forskellige spejlbilledversioner. De højre- og venstrehåndede versioner kan nogle gange have forskellige egenskaber, sådan at kun en af ​​dem udfører molekylets funktioner. Nu, et team af fysikere har fundet ud af, at et lignende asymmetrisk mønster kan induceres og måles efter behag i visse eksotiske materialer, ved hjælp af en særlig form for lysstråle til at stimulere materialet.

I dette tilfælde, fænomenet "hænder, "kendt som kiralitet, forekommer ikke i molekylernes struktur, men i en slags mønster i elektronens tæthed i materialet. Forskerne fandt ud af, at denne asymmetriske mønster kan fremkaldes ved at skinne et cirkulært polariseret midt-infrarødt lys mod et usædvanligt materiale, en form for overgangsmetal dichalcogenid semimetal kaldet TiSe2, eller titanium diselenid.

De nye fund, som kunne åbne op for nye forskningsområder inden for optisk kontrol af kvantematerialer, er beskrevet i dag i journalen Natur i et papir af MIT postdocs Suyang Xu og Qiong Ma, professorer Nuh Gedik og Pablo Jarillo-Herrero, og 15 kolleger på MIT og andre universiteter i USA, Kina, Taiwan, Japan, og Singapore.

Holdet fandt ud af, at mens titanium diselenid ved stuetemperatur ikke har nogen chiralitet ved det, når temperaturen falder, når den et kritisk punkt, hvor balancen mellem højrehåndede og venstrehåndede elektroniske konfigurationer bliver smidt ud, og en type begynder at dominere. De fandt ud af, at denne effekt kunne styres og forstærkes ved at skinne cirkulært polariseret midt-infrarødt lys på materialet, og at lysets rethed (uanset om polarisationen roterer med eller mod uret) bestemmer chiraliteten af ​​den resulterende mønster af elektronfordeling.

"Det er et utraditionelt materiale, en som vi ikke helt forstår, "siger Jarillo-Herrero. Materialet strukturerer sig naturligt i" løst stablede todimensionale lag oven på hinanden, "lidt som et stykke papirer, han siger.

Inden for disse lag, fordelingen af ​​elektroner danner en "ladningstæthed bølgefunktion, "et sæt krusningslignende striber af vekslende områder, hvor elektronerne er tættere eller mindre tæt pakket. Disse striber kan derefter danne spiralformede mønstre, som strukturen i et DNA -molekyle eller en vindeltrappe, som drejer enten til højre eller til venstre.

Normalt, materialet ville indeholde lige store mængder af højre- og venstrehåndede versioner af disse ladningstæthedsbølger, og virkningerne af handsness ville annullere i de fleste målinger. Men under påvirkning af det polariserede lys, Mor siger, "vi fandt ud af, at vi mest kan få materialet til at foretrække en af ​​disse chiraliteter. Og så kan vi undersøge dets chiralitet ved hjælp af en anden lysstråle." Det ligner den måde, hvorpå et magnetfelt kan fremkalde en magnetisk orientering i et metal, hvor dets molekyler normalt er tilfældigt orienterede og derfor ikke har en netto magnetisk effekt.

Men at fremkalde en sådan effekt i kiraliteten med lys i et fast materiale er noget "ingen nogensinde har gjort før, "Forklarer Gedik.

Efter at have fremkaldt den særlige retning ved hjælp af det cirkulært polariserede lys, "vi kan registrere, hvilken slags kiralitet der er i materialet fra retningen af ​​den optisk genererede elektriske strøm, "Tilføjer Xu. Så, denne retning kan skiftes til den anden retning, hvis en modsat polariseret lyskilde skinner på materialet.

Gedik siger, at selvom nogle tidligere eksperimenter havde antydet, at sådanne kirale faser var mulige i dette materiale, "der var modstridende eksperimenter, "så det havde indtil nu været uklart, om effekten var reel. Selvom det er for tidligt i dette arbejde at forudsige, hvilke praktiske anvendelser et sådant system kan have, evnen til at kontrollere elektronisk adfærd af et materiale med kun en lysstråle, han siger, kunne have et betydeligt potentiale.

Mens denne undersøgelse blev udført med et specifikt materiale, forskerne siger, at de samme principper også kan fungere med andre materialer. Det materiale, de brugte, titanium diselenid, er bredt undersøgt for potentiel anvendelse i kvanteenheder, og yderligere forskning om det kan også tilbyde indsigt i adfærden hos superledende materialer.

Gedik siger, at denne måde at fremkalde ændringer i materialets elektroniske tilstand er et nyt værktøj, der potentielt kan anvendes mere bredt. "Denne interaktion med lys er et fænomen, der også vil være meget nyttigt i andre materialer, ikke kun chiralt materiale, men jeg formoder også at påvirke andre former for ordrer, " han siger.

Og, mens kiralitet er velkendt og udbredt i biologiske molekyler og i nogle magnetiske fænomener, "Dette er første gang, vi har vist, at dette sker i de elektroniske egenskaber for et fast stof, "Siger Jarillo-Herrero.

"Forfatterne fandt to nye ting, "siger Jasper van Wezel, professor ved universitetet i Amsterdam, der ikke var en del af forskerholdet. Han sagde, at de nye fund er "en ny måde at teste, om et materiale er chiralt eller ej, og en måde at forbedre den generelle chiralitet i et stort stykke materiale. Begge gennembrud er betydningsfulde. Den første som en tilføjelse til den eksperimentelle værktøjskasse af materialeforskere, den anden som en måde at konstruere materialer med ønskelige egenskaber med hensyn til deres interaktion med lys. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.