Les scientifiques ont utilisé des rayons X en spirale au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie pour observer, pour la première fois, une propriété qui donne de la souplesse aux motifs électriques tourbillonnants - surnommés les vortex polaires - dans un matériau en couches synthétiques.

Cette propriété, également connu sous le nom de chiralité, ouvre potentiellement une nouvelle façon de stocker des données en contrôlant la gaucherie ou la droite dans la matrice du matériau de la même manière que les matériaux magnétiques sont manipulés pour stocker des données sous forme de uns ou de zéros dans la mémoire d'un ordinateur.

Les chercheurs ont déclaré que le comportement pourrait également être exploré pour le couplage à des dispositifs magnétiques ou optiques (à base de lumière), ce qui pourrait permettre un meilleur contrôle via la commutation électrique.

La chiralité est présente sous de nombreuses formes et à de nombreuses échelles, de la conception en escalier en spirale de notre propre ADN à la rotation et à la dérive des galaxies spirales; il peut même déterminer si une molécule agit comme un médicament ou un poison dans notre corps.

Un composé moléculaire connu sous le nom de d-glucose, par exemple, qui est un ingrédient essentiel à la vie humaine en tant que forme de sucre, fait preuve de droiture. Son homologue gaucher, l-glucose, bien que, n'est pas utile en biologie humaine.

"La chiralité n'avait jamais été vue auparavant dans cette structure électrique, " a déclaré Elke Arenholz, un scientifique senior à l'Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab, qui abrite les rayons X qui étaient la clé de l'étude, publié le 15 janvier dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences .

Les expériences peuvent faire la distinction entre la chiralité gaucher et la chiralité droitière dans les vortex des échantillons. « Cela offre de nouvelles opportunités pour une science fondamentalement nouvelle, avec le potentiel d'ouvrir des applications, " elle a dit.

"Imaginez que l'on puisse convertir une forme droite d'une molécule en sa forme gauche en appliquant un champ électrique, ou concevoir artificiellement un matériau avec une chiralité particulière, " dit Ramamoorthy Ramesh, un chercheur principal de la faculté dans la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et directeur de laboratoire associé du domaine des technologies énergétiques du laboratoire, qui a codirigé la dernière étude.

Ramesh, qui est également professeur de science des matériaux et de physique à l'UC Berkeley, fabriqué sur mesure les nouveaux matériaux à l'UC Berkeley.

Padraic Shafer, chercheur à l'ALS et auteur principal de l'étude, a travaillé avec Arenholz pour réaliser les expériences aux rayons X qui ont révélé la chiralité du matériau.

Les échantillons comprenaient une couche de titanate de plomb (PbTiO3) et une couche de titanate de strontium (SrTiO3) prises en sandwich selon un motif alterné pour former un matériau appelé superréseau. Les matériaux ont également été étudiés pour leurs propriétés électriques accordables qui en font des candidats pour des composants dans des capteurs précis et pour d'autres utilisations.

Aucun des deux composés ne montre aucune maniabilité par eux-mêmes, mais quand ils ont été combinés dans le super-réseau en couches avec précision, ils ont développé les structures de vortex tourbillonnantes qui présentaient une chiralité.

"La chiralité peut avoir des fonctionnalités supplémentaires, " Shafer a dit, par rapport aux appareils qui utilisent des champs magnétiques pour réorganiser la structure magnétique du matériau.

Les motifs électroniques dans le matériau qui ont été étudiés à l'ALS ont d'abord été révélés à l'aide d'un puissant microscope électronique au Centre national de microscopie électronique de Berkeley Lab, une partie de la Fonderie Moléculaire du Laboratoire, bien qu'il ait fallu une technique de rayons X spécialisée pour identifier leur chiralité.

"Les mesures aux rayons X ont dû être effectuées dans des géométries extrêmes qui ne peuvent pas être effectuées par la plupart des équipements expérimentaux, " Shafer a dit, en utilisant une technique connue sous le nom de diffraction des rayons X mous par résonance qui sonde les détails périodiques à l'échelle du nanomètre dans leur structure électronique et leurs propriétés.

Formes en spirale de rayons X, connu sous le nom de rayons X à polarisation circulaire, a permis aux chercheurs de mesurer à la fois la chiralité gaucher et droitier dans les échantillons.

Arenholz, qui est également membre du corps professoral du département de science et d'ingénierie des matériaux de l'UC Berkeley, ajoutée, « Il a fallu beaucoup de temps pour comprendre les résultats, et beaucoup de modélisation et de discussions. » Les théoriciens de l'Université de Cantabrie en Espagne et leur réseau d'experts en informatique ont effectué des calculs des structures de vortex qui ont aidé à l'interprétation des données de rayons X.

La même équipe scientifique poursuit des études sur d'autres types et combinaisons de matériaux pour tester les effets sur la chiralité et d'autres propriétés.

"Il existe une large classe de matériaux qui pourraient être substitués, " Shafer a dit, "et il y a l'espoir que les couches pourraient être remplacées par des matériaux encore plus fonctionnels."

Les chercheurs prévoient également de tester s'il existe de nouvelles façons de contrôler la chiralité dans ces matériaux en couches, comme en combinant des matériaux qui ont des propriétés commutables électriquement avec ceux qui présentent des propriétés commutables magnétiquement.

"Comme nous en savons beaucoup sur les structures magnétiques, " Arenholz a dit, "nous pourrions penser à utiliser cette connexion bien connue avec le magnétisme pour implémenter cette propriété nouvellement découverte dans des appareils."