Certaines molécules, y compris la plupart de ceux des organismes vivants, ont des formes qui peuvent exister dans deux versions différentes d'image miroir. Les versions droitier et gaucher peuvent parfois avoir des propriétés différentes, de telle sorte qu'un seul d'entre eux assure les fonctions de la molécule. Maintenant, une équipe de physiciens a découvert qu'un motif asymétrique similaire peut être induit et mesuré à volonté dans certains matériaux exotiques, en utilisant un type spécial de faisceau lumineux pour stimuler le matériau.

Dans ce cas, le phénomène de « maniabilité, " connue sous le nom de chiralité, ne se produit pas dans la structure des molécules elles-mêmes, mais dans une sorte de structuration de la densité d'électrons au sein du matériau. Les chercheurs ont découvert que ce motif asymétrique peut être induit en projetant une lumière infrarouge moyenne polarisée circulairement sur un matériau inhabituel, une forme de semi-métal de dichalcogénure de métal de transition appelé TiSe2, ou diséléniure de titane.

Les nouvelles découvertes, qui pourrait ouvrir de nouveaux domaines de recherche dans le contrôle optique des matériaux quantiques, sont décrits aujourd'hui dans la revue La nature dans un article des post-doctorants du MIT Suyang Xu et Qiong Ma, les professeurs Nuh Gedik et Pablo Jarillo-Herrero, et 15 collègues du MIT et d'autres universités aux États-Unis, Chine, Taïwan, Japon, et Singapour.

L'équipe a découvert que bien que le diséléniure de titane à température ambiante n'ait aucune chiralité, à mesure que sa température diminue, il atteint un point critique où l'équilibre des configurations électroniques pour droitiers et gauchers est perturbé et un type commence à dominer. Ils ont découvert que cet effet pouvait être contrôlé et amélioré en projetant une lumière infrarouge moyenne polarisée circulairement sur le matériau, et que l'orientation manuelle de la lumière (que la polarisation tourne dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre) détermine la chiralité de la structuration résultante de la distribution des électrons.

"C'est un matériau non conventionnel, un que nous ne comprenons pas entièrement, " dit Jarillo-Herrero. Le matériau se structure naturellement en " couches bidimensionnelles empilées de manière lâche les unes sur les autres, " un peu comme une liasse de papiers, il dit.

Au sein de ces couches, la distribution des électrons forme une "fonction d'onde de densité de charge, " un ensemble de bandes ressemblant à des ondulations de régions alternées où les électrons sont plus ou moins denses. Ces bandes peuvent alors former des motifs hélicoïdaux, comme la structure d'une molécule d'ADN ou d'un escalier en colimaçon, qui tournent soit à droite, soit à gauche.

Ordinairement, le matériau contiendrait des quantités égales des versions pour droitier et gaucher de ces ondes de densité de charge, et les effets de la gaucherie s'annuleraient dans la plupart des mesures. Mais sous l'influence de la lumière polarisée, Maman dit, "nous avons découvert que nous pouvons faire en sorte que le matériau préfère principalement l'une de ces chiralités. Et ensuite, nous pouvons sonder sa chiralité à l'aide d'un autre faisceau lumineux." C'est similaire à la façon dont un champ magnétique peut induire une orientation magnétique dans un métal où, d'ordinaire, ses molécules sont orientées de manière aléatoire et n'ont donc aucun effet magnétique net.

Mais induire un tel effet dans la chiralité avec la lumière dans un matériau solide est quelque chose que "personne n'a jamais fait auparavant, " explique Gedik.

Après avoir induit la directionnalité particulière en utilisant la lumière polarisée circulairement, "nous pouvons détecter quel type de chiralité il y a dans le matériau à partir de la direction du courant électrique généré optiquement, " Xu ajoute. Ensuite, cette direction peut être commutée dans l'autre orientation si une source de lumière polarisée de manière opposée éclaire le matériau.

Gedik dit que bien que certaines expériences précédentes aient suggéré que de telles phases chirales étaient possibles dans ce matériau, "il y avait des expériences contradictoires, " il n'était donc pas clair jusqu'à présent si l'effet était réel. Bien qu'il soit trop tôt dans ce travail pour prédire quelles applications pratiques un tel système pourrait avoir, la capacité de contrôler le comportement électronique d'un matériau avec juste un faisceau lumineux, il dit, pourrait avoir un potentiel important.

Bien que cette étude ait été réalisée avec un matériau spécifique, les chercheurs disent que les mêmes principes peuvent également fonctionner avec d'autres matériaux. Le matériel qu'ils ont utilisé, diséléniure de titane, est largement étudié pour des utilisations potentielles dans les dispositifs quantiques, et d'autres recherches à ce sujet peuvent également offrir des informations sur le comportement des matériaux supraconducteurs.

Gedik dit que cette façon d'induire des changements dans l'état électronique du matériau est un nouvel outil qui pourrait potentiellement être appliqué plus largement. "Cette interaction avec la lumière est un phénomène qui sera également très utile dans d'autres matériaux, pas seulement du matériel chiral, mais je soupçonne qu'en affectant aussi d'autres types d'ordres, " il dit.

Et, alors que la chiralité est bien connue et répandue dans les molécules biologiques et dans certains phénomènes magnétiques, "c'est la première fois que nous montrons que cela se produit dans les propriétés électroniques d'un solide, " dit Jarillo-Herrero.

"Les auteurs ont trouvé deux nouvelles choses, " dit Jasper van Wezel, professeur à l'Université d'Amsterdam, qui ne faisait pas partie de l'équipe de recherche. Il a déclaré que les nouvelles découvertes sont "une nouvelle façon de tester si un matériau est chiral ou non, et un moyen d'améliorer la chiralité globale dans un gros morceau de matériau. Les deux percées sont importantes. Le premier en complément de la boîte à outils expérimentale des scientifiques des matériaux, le second comme un moyen de concevoir des matériaux avec des propriétés souhaitables en termes d'interaction avec la lumière."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.