Los científicos utilizaron rayos X en espiral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Laboratorio de Berkeley para observar, por primera vez, una propiedad que da destreza a los patrones eléctricos arremolinados, denominados vórtices polares, en un material sintético en capas..
Esta propiedad, también conocida como quiralidad, abre potencialmente una nueva forma de almacenar datos mediante el control de la mano izquierda o derecha en la matriz del material de la misma manera que se manipulan los materiales magnéticos para almacenar datos como unos o ceros en unmemoria de la computadora.
Los investigadores dijeron que el comportamiento también podría explorarse para acoplarlo a dispositivos magnéticos u ópticos basados en la luz, lo que podría permitir un mejor control a través de la conmutación eléctrica.
La quiralidad está presente en muchas formas y en muchas escalas, desde el diseño de escalera de caracol de nuestro propio ADN hasta el giro y la deriva de las galaxias espirales; incluso puede determinar si una molécula actúa como medicina o como veneno en nuestros cuerpos.
Un compuesto molecular conocido como d-glucosa, por ejemplo, que es un ingrediente esencial para la vida humana como una forma de azúcar, muestra ser diestro. Sin embargo, su contraparte zurda, la l-glucosa, no es útil en humanos.biología.
"La quiralidad no se había visto antes en esta estructura eléctrica", dijo Elke Arenholz, científica senior de la fuente de luz avanzada ALS de Berkeley Lab, que alberga los rayos X que fueron clave para el estudio, publicó15 de enero en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
Los experimentos pueden distinguir entre la quiralidad de la mano izquierda y la quiralidad de la mano derecha en los vórtices de las muestras. "Esto ofrece nuevas oportunidades para una ciencia fundamentalmente nueva, con el potencial de abrir aplicaciones", dijo.
"Imagínese que uno podría convertir una forma diestra de una molécula a su forma zurda aplicando un campo eléctrico, o diseñar artificialmente un material con una quiralidad particular", dijo Ramamoorthy Ramesh, científico senior de la facultad en Berkeley Lab'sDivisión de Ciencias de los Materiales y director del laboratorio asociado del Área de Tecnologías Energéticas del Laboratorio, quien codirigió el último estudio.
Ramesh, quien también es profesor de ciencia de materiales y física en UC Berkeley, hizo los nuevos materiales a medida en UC Berkeley.
Padraic Shafer, científico investigador de la ALS y autor principal del estudio, trabajó con Arenholz para llevar a cabo los experimentos de rayos X que revelaron la quiralidad del material.
Las muestras incluían una capa de titanato de plomo PbTiO3 y una capa de titanato de estroncio SrTiO3 intercaladas en un patrón alterno para formar un material conocido como superrejilla. Los materiales también se han estudiado por sus propiedades eléctricas ajustables que hacenlos candidatos para componentes en sensores precisos y para otros usos.
Ninguno de los dos compuestos muestra destreza por sí mismos, pero cuando se combinaron en la superrejilla en capas con precisión, desarrollaron las estructuras de vórtice arremolinado que exhibían quiralidad.
"La quiralidad puede tener una funcionalidad adicional", dijo Shafer, en comparación con los dispositivos que utilizan campos magnéticos para reorganizar la estructura magnética del material.
Los patrones electrónicos en el material que se estudiaron en la ALS se revelaron por primera vez utilizando un poderoso microscopio electrónico en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica de Berkeley Lab, una parte de la Fundición Molecular del Laboratorio, aunque se necesitó una técnica de rayos X especializada para identificarsu quiralidad.
"Las mediciones de rayos X tenían que realizarse en geometrías extremas que no pueden realizarse con la mayoría de los equipos experimentales", dijo Shafer, utilizando una técnica conocida como difracción de rayos X suave resonante que sondea los detalles periódicos a escala nanométrica en susestructura y propiedades electrónicas.
Las formas en espiral de los rayos X, conocidas como rayos X polarizados circularmente, permitieron a los investigadores medir la quiralidad de los diestros y zurdos en las muestras.
Arenholz, quien también es miembro de la facultad del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UC Berkeley, agregó: "Me llevó mucho tiempo comprender los resultados, y mucho modelado y discusiones". Teóricos de la Universidad de Cantabriaen España y su red de expertos en computación realizaron cálculos de las estructuras de vórtice que ayudaron en la interpretación de los datos de rayos X.
El mismo equipo científico está realizando estudios de otros tipos y combinaciones de materiales para probar los efectos sobre la quiralidad y otras propiedades.
"Existe una amplia clase de materiales que podrían sustituirse", dijo Shafer, "y existe la esperanza de que las capas puedan reemplazarse con materiales de funcionalidad aún mayor".
Los investigadores también planean probar si hay nuevas formas de controlar la quiralidad en estos materiales en capas, como combinando materiales que tienen propiedades eléctricamente conmutables con aquellos que exhiben propiedades magnéticamente conmutables.
"Dado que sabemos tanto sobre estructuras magnéticas", dijo Arenholz, "podríamos pensar en usar esta conocida conexión con el magnetismo para implementar esta propiedad recién descubierta en dispositivos".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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