Vissa molekyler, inklusive de flesta i levande organismer, har former som kan finnas i två olika spegelvända versioner. De höger- och vänsterhänta versionerna kan ibland ha olika egenskaper, så att endast en av dem utför molekylens funktioner. Nu, ett team av fysiker har funnit att ett liknande asymmetriskt mönster kan induceras och mätas efter behag i vissa exotiska material, använda en speciell sorts ljusstråle för att stimulera materialet.

I detta fall, fenomenet "händighet, "känd som chiralitet, förekommer inte i strukturen av själva molekylerna, men i ett slags mönstring i tätheten av elektroner i materialet. Forskarna fann att denna asymmetriska mönstring kan induceras genom att lysa ett cirkulärt polariserat mellaninfrarött ljus mot ett ovanligt material, en form av dikalkogenidhalvmetall av övergångsmetall som kallas TiSe2, eller titandiselenid.

De nya rönen, som skulle kunna öppna upp nya forskningsområden inom optisk kontroll av kvantmaterial, beskrivs idag i tidskriften Natur i en artikel av MIT postdocs Suyang Xu och Qiong Ma, professorerna Nuh Gedik och Pablo Jarillo-Herrero, och 15 kollegor vid MIT och andra universitet i USA, Kina, Taiwan, Japan, och Singapore.

Teamet fann att medan titandiselenid vid rumstemperatur inte har någon kiralitet, när temperaturen sjunker når den en kritisk punkt där balansen mellan högerhänta och vänsterhänta elektroniska konfigurationer kastas av och en typ börjar dominera. De fann att denna effekt kunde kontrolleras och förstärkas genom att lysa cirkulärt polariserat mellaninfrarött ljus på materialet, och att ljusets handenhet (oavsett om polarisationen roterar medurs eller moturs) bestämmer kiraliteten hos den resulterande mönstringen av elektronfördelning.

"Det är ett okonventionellt material, en som vi inte helt förstår, " säger Jarillo-Herrero. Materialet strukturerar sig naturligt i "löst staplade tvådimensionella lager ovanpå varandra, "som en bunt papper, han säger.

Inom dessa lager, fördelningen av elektroner bildar en "laddningstäthetsvågfunktion, " en uppsättning krusningsliknande ränder av alternerande regioner där elektronerna är tätare eller mindre tätt packade. Dessa ränder kan sedan bilda spiralformade mönster, som strukturen av en DNA-molekyl eller en spiraltrappa, som vrider sig antingen åt höger eller åt vänster.

Vanligtvis, materialet skulle innehålla lika mängder av höger- och vänsterhänta versioner av dessa laddningstäthetsvågor, och effekterna av handenhet skulle eliminera i de flesta mätningar. Men under påverkan av det polariserade ljuset, mamma säger, "vi fann att vi kan göra att materialet mestadels föredrar en av dessa kiraliteter. Och sedan kan vi undersöka dess kiralitet med en annan ljusstråle." Det liknar hur ett magnetfält kan inducera en magnetisk orientering i en metall där dess molekyler vanligtvis är slumpmässigt orienterade och därför inte har någon magnetisk nettoeffekt.

Men att inducera en sådan effekt i kiraliteten med ljus i ett fast material är något "ingen någonsin gjort tidigare, " förklarar Gedik.

Efter att ha inducerat den speciella riktningen med det cirkulärt polariserade ljuset, "vi kan upptäcka vilken typ av kiralitet det finns i materialet från den optiskt genererade elektriska strömmens riktning, " tillägger Xu. Sedan, den riktningen kan växlas till den andra orienteringen om en motsatt polariserad ljuskälla lyser på materialet.

Gedik säger att även om några tidigare experiment hade föreslagit att sådana kirala faser var möjliga i detta material, "det fanns motstridiga experiment, Så det hade varit oklart fram till nu om effekten var verklig. Även om det är för tidigt i detta arbete att förutsäga vilka praktiska tillämpningar ett sådant system kan ha, förmågan att kontrollera elektroniskt beteende hos ett material med bara en ljusstråle, han säger, kan ha betydande potential.

Även om denna studie utfördes med ett specifikt material, forskarna säger att samma principer kan fungera med andra material också. Materialet de använde, titandiselenid, är allmänt studerad för potentiell användning i kvantenheter, och ytterligare forskning om det kan också ge insikter om beteendet hos supraledande material.

Gedik säger att det här sättet att framkalla förändringar i materialets elektroniska tillstånd är ett nytt verktyg som potentiellt skulle kunna tillämpas mer brett. "Denna interaktion med ljus är ett fenomen som kommer att vara mycket användbart även i andra material, inte bara kiralt material, men jag misstänker att det också påverkar andra typer av order, " han säger.

Och, medan kiralitet är välkänd och utbredd i biologiska molekyler och i vissa magnetiska fenomen, "det här är första gången vi har visat att detta händer i de elektroniska egenskaperna hos ett fast ämne, " säger Jarillo-Herrero.

"Författarna hittade två nya saker, säger Jasper van Wezel, professor vid universitetet i Amsterdam, som inte ingick i forskargruppen. Han sa att de nya fynden är "ett nytt sätt att testa om ett material är kiralt eller inte, och ett sätt att förstärka den övergripande kiraliteten i ett stort stycke material. Båda genombrotten är betydande. Den första som ett tillägg till materialforskarnas experimentella verktygslåda, den andra som ett sätt att konstruera material med önskvärda egenskaper när det gäller deras interaktion med ljus."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.