Forskare använde spiralröntgenstrålar vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) för att observera, för första gången, en egenskap som ger rörlighet i elektriska mönster - dubbade polära virvlar - i ett syntetiskt skiktat material.

Denna fastighet, även känd som kiralitet, möjligen öppnar ett nytt sätt att lagra data genom att styra vänster- eller högerhäntheten i materialets array på ungefär samma sätt som magnetiska material manipuleras för att lagra data som ettor eller nollor i datorns minne.

Forskare sa att beteendet också kan utforskas för koppling till magnetiska eller optiska (ljusbaserade) enheter, vilket skulle möjliggöra bättre kontroll via elektrisk omkoppling.

Kiralitet finns i många former och i många skalor, från spiraltrappkonstruktionen av vårt eget DNA till spiralgalaxernas snurr och drift; den kan till och med avgöra om en molekyl fungerar som ett läkemedel eller ett gift i våra kroppar.

En molekylär förening känd som d-glukos, till exempel, som är en väsentlig ingrediens för människoliv som sockerform, uppvisar högerhäntighet. Dess vänsterhänta motsvarighet, l-glukos, fastän, är inte användbar inom mänsklig biologi.

"Kiralitet hade inte setts tidigare i denna elektriska struktur, "sade Elke Arenholz, en senior personalvetare vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), som är hem för röntgenstrålarna som var nyckeln till studien, publicerad 15 januari i tidningen Förfaranden från National Academy of Sciences .

Experimenten kan skilja mellan vänsterhänt chiralitet och högerhänt kiralitet i provens virvlar. "Detta erbjuder nya möjligheter för grundläggande ny vetenskap, med potential att öppna applikationer, " Hon sa.

"Tänk dig att man skulle kunna omvandla en högerhänt form av en molekyl till dess vänsterhänta form genom att applicera ett elektriskt fält, eller artificiellt konstruera ett material med en särskild kiralitet, "sade Ramamoorthy Ramesh, en fakultets senior forskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och associerad laboratoriedirektör för Labs energiteknikområde, som ledde den senaste studien.

Ramesh, som också är professor i materialvetenskap och fysik vid UC Berkeley, skräddarsydde de nya materialen på UC Berkeley.

Padraic Shafer, en forskare vid ALS och huvudförfattaren till studien, arbetade med Arenholz för att genomföra röntgenförsöken som avslöjade materialets chiralitet.

Proverna inkluderade ett lager av blytitanat (PbTiO3) och ett lager av strontiumtitanat (SrTiO3) inklämt i ett alternerande mönster för att bilda ett material som kallas ett supergitter. Materialen har också studerats för sina avstämbara elektriska egenskaper som gör dem till kandidater för komponenter i exakta sensorer och för andra användningsområden.

Ingen av de två föreningarna uppvisar någon handlighet av sig själva, men när de kombinerades till det exakt skiktade supergitteret, de utvecklade de virvlande virvelstrukturer som uppvisade kiralitet.

"Kiralitet kan ha ytterligare funktioner, "Sa Shafer, jämfört med enheter som använder magnetfält för att ordna om materialets magnetiska struktur.

De elektroniska mönstren i materialet som studerades vid ALS avslöjades först med ett kraftfullt elektronmikroskop vid Berkeley Labs nationella centrum för elektronmikroskopi, en del av Labs Molecular Foundry, även om det krävdes en specialiserad röntgenteknik för att identifiera deras kiralitet.

"Röntgenmätningarna måste utföras i extrema geometrier som inte kan utföras med de flesta experimentell utrustning, "Sa Shafer, med hjälp av en teknik som kallas resonant mjuk röntgendiffraktion som sonderar periodiska detaljer i nanometer i sin elektroniska struktur och egenskaper.

Spiralform av röntgenstrålar, känd som cirkulärt polariserade röntgenstrålar, tillät forskare att mäta både vänster- och högerhänt kiralitet i proverna.

Arenholz, som också är fakultetsmedlem vid UC Berkeley Department of Materials Science &Engineering, Lagt till, "Det tog mycket tid att förstå resultaten, och mycket modellering och diskussioner. "Teoretiker vid universitetet i Cantabria i Spanien och deras nätverk av beräkningsexperter utförde beräkningar av virvelstrukturerna som hjälpte till med tolkningen av röntgendata.

Samma vetenskapsteam bedriver studier av andra typer och kombinationer av material för att testa effekterna på kiralitet och andra egenskaper.

"Det finns en bred klass av material som kan ersättas, "Sa Shafer, "och det finns hopp om att lagren kan ersättas med ännu högre funktionalitetsmaterial."

Forskare planerar också att testa om det finns nya sätt att kontrollera kiraliteten i dessa skiktade material, såsom genom att kombinera material som har elektriskt omkopplingsbara egenskaper med de som uppvisar magnetiskt omkopplingsbara egenskaper.

"Eftersom vi vet så mycket om magnetiska strukturer, "Sa Arenholz, "vi kunde tänka oss att använda denna välkända koppling till magnetism för att implementera denna nyupptäckta egendom i enheter."