Un nuevo giro a la quiralidad: los investigadores amplían el concepto de direccionalidad y proponen una nueva clase de materiales

8 de mayo de 2023

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por Michael O'Boyle, Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois

A menudo es deseable restringir los flujos (ya sea de sonido, electricidad o calor) a una dirección, pero los sistemas naturales casi nunca lo permiten. Sin embargo, es posible diseñar un flujo unidireccional bajo ciertas condiciones y se dice que los sistemas resultantes exhiben un comportamiento quiral.

El concepto de quiralidad se limita tradicionalmente a flujos de una sola dirección en una dimensión. Sin embargo, en 2021, investigadores que trabajan con Taylor Hughes, profesor de física de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, introdujeron una extensión teórica que puede explicar flujos quirales más complejos en dos dimensiones.

Ahora, un equipo dirigido por Hughes y Gaurav Bahl, profesor de ciencia e ingeniería mecánica de la UIUC, ha realizado experimentalmente esta extensión. Como informaron los investigadores en Nature Communications, construyeron una red de circuitos topológicos, un sistema electrónico que simula el comportamiento microscópico de los materiales cuánticos, para explorar comportamientos completamente nuevos predichos por esta quiralidad extendida o de rango superior.

"En efecto, hemos generalizado la idea de una calle de sentido único en dos dimensiones", dijo Hughes. "En dos dimensiones no hay una sensación absoluta de que algo vaya en un sentido u otro, pero si llevas contigo una flecha fija, aún puedes describir el movimiento quiral en relación con esa flecha".

De hecho, la quiralidad de rango superior se manifiesta como un bloqueo entre la dirección del flujo de una partícula y la dirección de una flecha, o cantidad vectorial, que lleva consigo. Para este estudio, el equipo se centró en la quiralidad de rango 2, donde el flujo está bloqueado para que sea transversal al vector de impulso transportado por las partículas.

Penghao Zhu, autor principal del estudio y estudiante graduado en física de la UIUC, explicó: "En la quiralidad estándar, los flujos sólo pueden ir en una dirección: hacia la derecha, digamos. Sin embargo, un sistema de rango 2 está diseñado de modo que si el impulso de una partícula está hacia arriba, entonces fluye hacia la derecha, y si el impulso apunta hacia abajo, entonces fluye hacia la izquierda".

En el estudio de 2021, el grupo de Hughes propuso un sistema de material cuántico para quiralidad de rango 2, pero su equipo interdisciplinario se dio cuenta de que podían explorar los comportamientos de este sistema con una red de circuitos topológicos. En esta plataforma, la quiralidad es una consecuencia de la disipación o fricción microscópica, llamada no hermiticidad, que ha sido diseñada para impactar solo los flujos en direcciones particulares, de modo que los flujos no deseados desaparezcan rápidamente, dejando solo el flujo en la dirección deseada.

Zhu y el becario postdoctoral Xiao-Qi Sun diseñaron una red de circuitos que exhibe la no hermiticidad necesaria y colaboraron con Bahl para construir este material "meta" y realizar mediciones experimentales. Según Zhu, el material mostraba una firma importante de los sistemas quirales: el efecto piel no hermitiano, donde la unidireccionalidad impuesta hace que el flujo se acumule en los límites del sistema.

"Además, nuestro experimento muestra nuevos fenómenos que no se habían explorado previamente, como la localización de las esquinas, donde los flujos se acumulan en las esquinas del material", dijo. "Esto es algo muy especial de la quiralidad de rango 2 y no se puede ver en ningún efecto de la piel que se haya demostrado previamente".

Las generalizaciones que ofrece la quiralidad de rango superior sugieren una nueva clase de dispositivos que podrían usarse para filtrar flujos y diseñar haces ópticos. Sun imagina un dispositivo que separa fotones, o partículas de luz, según la dirección en la que viajan: si solo se desean los fotones que viajan hacia la derecha, entonces un material quiral de rango 2 podría eliminar los fotones que se propagan hacia la izquierda obligándolos a adoptar una dirección diferente. dirección a descartar.

"Se podría hacer otro mapeo útil de esta idea en dispositivos electrónicos semiconductores, donde se pueden realizar operaciones de filtrado nuevas y únicas con electrones", dijo Bahl. "Prácticamente todos los dispositivos electrónicos de computación y comunicación que utilizamos hoy en día dependen del control del flujo de electrones. Si somos capaces de replicar este comportamiento quiral de alto rango en la microelectrónica, un comportamiento al que nunca hemos tenido acceso antes, podría conducir a algunas nuevas aplicaciones transformadoras".

Sun añadió que la verdadera recompensa de estudiar sistemas de rango superior es una comprensión más profunda de lo que es posible.

"Al diseñar y construir sistemas que amplíen nuestra comprensión, estamos dando el primer paso hacia un universo mucho más generalizado", afirmó.

Más información: Penghao Zhu et al, Quiralidad de rango superior y efecto cutáneo no hermitiano en un circuito topoeléctrico, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36130-x

Información de la revista:Comunicaciones de la naturaleza

Proporcionado por la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois