Impulsos de terahertz induzem quiralidade num cristal não quiral
"Esta descoberta abre novas possibilidades para o controlo dinâmico da matéria ao nível atómico"
A quiralidade é uma propriedade fundamental da matéria que determina muitos fenómenos biológicos, químicos e físicos. Os sólidos quirais, por exemplo, oferecem possibilidades interessantes para a catálise, a tecnologia de sensores e os componentes ópticos, uma vez que permitem interações únicas com moléculas quirais e luz polarizada. No entanto, estas propriedades já são determinadas durante o crescimento do material. Isto significa que os enantiómeros da mão esquerda e da mão direita não podem ser convertidos um no outro sem derreter e recristalizar o material. Os investigadores do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD) e da Universidade de Oxford demonstraram que a luz terahertz pode induzir a quiralidade num cristal não quiral, criando enantiómeros à esquerda ou à direita, conforme desejado. Esta descoberta, publicada na revista Science , abre possibilidades interessantes para a exploração de novos fenómenos de não-equilíbrio em materiais complexos.
A luz terahertz pode controlar os sólidos ao nível atómico, formando estruturas quirais com mão esquerda e mão direita.
Zhiyang Zeng (MPSD)
A quiralidade descreve objectos que não podem ser alinhados com a sua imagem espelhada através de combinações de rotações ou deslocações, à semelhança das mãos esquerda e direita de uma pessoa. Nos cristais quirais, a disposição espacial dos átomos também lhes confere uma "mão" específica, que influencia as suas propriedades ópticas e eléctricas, por exemplo.
A equipa de Hamburgo e Oxford concentrou-se nos chamados materiais antiferro-quirais, um tipo de cristais não quirais que se assemelham a materiais antiferromagnéticos. Nestes, os momentos magnéticos alinham-se em direcções opostas num padrão escalonado, o que leva ao desaparecimento da magnetização global. Um cristal antiferroquiral consiste em proporções iguais de subestruturas esquerdas e direitas numa célula unitária, tornando-o globalmente não quiral.
A equipa de investigação, liderada por Andrea Cavalleri, utilizou luz terahertz para cancelar este equilíbrio no material não quiral fosfato de boro (BPO4) e assim induzir quiralidade em escalas de tempo ultra-rápidas. "Utilizamos um mecanismo chamado fonónica não linear", explica Zhiyang Zeng, autor principal deste trabalho. "Ao excitar um modo vibracional específico na gama de frequências terahertz, que desloca a rede cristalina ao longo das coordenadas de outros modos no material, gerámos um estado quiral que dura vários picossegundos", acrescenta. "De forma notável, ao rodar a polarização da luz terahertz em 90 graus, fomos capazes de induzir especificamente uma estrutura quiral esquerda ou direita", acrescenta o coautor Michael Först.
"Esta descoberta abre novas possibilidades para o controlo dinâmico da matéria a nível atómico", afirma Andrea Cavalleri, líder do grupo no MPSD. "Estamos entusiasmados com as potenciais aplicações desta tecnologia e com a forma como pode ser utilizada para criar funcionalidades únicas. A capacidade de induzir quiralidade em materiais não quirais pode levar a novas aplicações em dispositivos de memória ultra-rápida ou mesmo em plataformas optoelectrónicas mais avançadas."
Este trabalho foi apoiado financeiramente pela Fundação Alemã de Investigação no âmbito do Cluster of Excellence "CUI: Advanced Imaging of Matter". O MPSD é membro do Centro para a Ciência do Laser de Electrões Livres (CFEL), uma instituição conjunta do DESY e da Universidade de Hamburgo.
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