Uma nova reviravolta na quiralidade: pesquisadores ampliam o conceito de direcionalidade e propõem uma nova classe de materiais

8 de maio de 2023

Este artigo foi revisado de acordo com o processo editorial e as políticas da Science X. Os editores destacaram os seguintes atributos, garantindo a credibilidade do conteúdo:

verificado

publicação revisada por pares

fonte confiável

revisar

por Michael O'Boyle, Faculdade de Engenharia Grainger da Universidade de Illinois

Muitas vezes é desejável restringir os fluxos – sejam de som, eletricidade ou calor – a uma direção, mas os sistemas que ocorrem naturalmente quase nunca permitem isso. No entanto, o fluxo unidirecional pode de fato ser projetado sob certas condições, e diz-se que os sistemas resultantes exibem comportamento quiral.

O conceito de quiralidade é tradicionalmente limitado a fluxos de direção única em uma dimensão. Em 2021, no entanto, investigadores que trabalharam com Taylor Hughes, professor de física na Universidade de Illinois Urbana-Champaign, introduziram uma extensão teórica que pode explicar fluxos quirais mais complexos em duas dimensões.

Agora, uma equipe liderada por Hughes e Gaurav Bahl, professor de ciências mecânicas e engenharia da UIUC, realizou experimentalmente esta extensão. Como os pesquisadores relataram na Nature Communications, eles construíram uma rede de circuitos topológicos, um sistema eletrônico que simula o comportamento microscópico de materiais quânticos, para explorar os comportamentos inteiramente novos previstos por esta quiralidade estendida ou de nível superior.

“Na verdade, generalizamos a ideia de uma via de mão única em duas dimensões”, disse Hughes. "Em duas dimensões não há sensação absoluta de que algo vai para um lado ou para outro, mas se você carregar uma flecha fixa com você, ainda poderá descrever o movimento quiral relativo a essa flecha."

Na verdade, a quiralidade de nível superior se manifesta como um bloqueio entre a direção do fluxo de uma partícula e a direção de uma seta, ou quantidade vetorial, que ela carrega consigo. Para este estudo, a equipe se concentrou na quiralidade de nível 2, onde o fluxo é bloqueado para ser transversal ao vetor momento transportado pelas partículas.

Penghao Zhu, principal autor do estudo e estudante de pós-graduação em física da UIUC, explicou: "Na quiralidade padrão, os fluxos só podem ir em uma direção - para a direita, digamos. No entanto, um sistema de classificação 2 é projetado de modo que se o momento de uma partícula estiver para cima, então flui para a direita, e se o impulso apontar para baixo, então flui para a esquerda."

No estudo de 2021, o grupo de Hughes propôs um sistema de material quântico para quiralidade de nível 2, mas sua equipe interdisciplinar percebeu que poderia explorar o comportamento desse sistema com uma rede de circuitos topológicos. Nesta plataforma, a quiralidade é uma consequência da dissipação ou fricção microscópica, chamada não-Hermiticidade, que foi projetada para impactar apenas fluxos em direções específicas, de modo que fluxos indesejados morram rapidamente, deixando apenas o fluxo na direção desejada.

Zhu e o colega de pós-doutorado Xiao-Qi Sun projetaram uma rede de circuitos que exibe a necessária não-hermiticidade e colaboraram com Bahl para construir esse "meta" material e realizar medições experimentais. Segundo Zhu, o material apresentava uma importante assinatura dos sistemas quirais: o efeito de pele não-Hermitiano, onde a unidirecionalidade imposta faz com que o fluxo se acumule na fronteira do sistema.

“Além disso, nosso experimento mostra novos fenômenos que não foram explorados anteriormente, como a localização dos cantos, onde os fluxos se acumulam nos cantos dos materiais”, disse ele. “Isso é algo muito especial para a quiralidade de nível 2 e não pode ser visto em nenhum efeito de pele que tenha sido demonstrado anteriormente.”

As generalizações oferecidas pela quiralidade de alto nível sugerem uma nova classe de dispositivos que poderiam ser usados ​​para filtrar fluxos e projetar feixes ópticos. Sun imagina um dispositivo que separa fótons, ou partículas de luz, com base na direção em que viajam: se apenas os fótons que viajam para a direita forem desejados, então um material quiral de grau 2 poderia remover os fótons que se propagam para a esquerda, forçando-os a uma direção diferente. direção a ser descartada.