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Descobertas publicadas em Natureza resolver a disputa: fônons podem ser quirais. Este conceito fundamental, descoberto usando luz circular de raios-X, vê os fônons girando como um saca-rolhas através do quartzo.
Em toda a natureza, em todas as escalas, você pode encontrar exemplos de quiralidade – ou lateralidade. Imagine tentar comer um sanduíche com duas mãos que não são enantiômeros – imagens espelhadas não sobreponíveis – uma da outra. Considere os desastres farmacológicos causados pela administração do enantiômero errado ou, em escala subatômica, a importância do conceito de paridade na física de partículas. Agora, graças a um novo estudo liderado por pesquisadores do Paul Scherrer Institute PSI, sabemos que os fônons também podem possuir essa propriedade.
Um fônon é uma quasipartícula que descreve as excitações vibracionais coletivas dos átomos em uma rede cristalina; imagine-o como a dança irlandesa dos átomos. Os físicos previram que, se os fônons puderem demonstrar quiralidade, eles podem ter implicações importantes nas propriedades físicas fundamentais dos materiais. Com o rápido aumento nos últimos anos de pesquisa em materiais topológicos que exibem curiosas propriedades eletrônicas e magnéticas de superfície, o interesse em fônons quirais tem crescido. No entanto, a prova experimental de sua existência permaneceu indefinida.
O que torna os fônons quirais são os passos de sua dança. No novo estudo, as vibrações atômicas dançam uma torção que avança como um saca-rolhas. Esse movimento de saca-rolhas é uma das razões pelas quais houve tal esforço para descobrir o fenômeno. Se os fônons podem girar dessa maneira, como a bobina de fio que forma um solenóide, talvez eles possam criar um campo magnético em um material.
Uma nova abordagem do problema
É essa possibilidade que motivou o grupo de Urs Staub do PSI, que liderou o estudo. “É porque estamos na junção entre a ciência ultrarrápida de raios-X e a pesquisa de materiais que podemos abordar o problema de um ângulo diferente”, diz ele. Os pesquisadores estão interessados em manipular modos quirais de materiais usando luz quiral – luz polarizada circularmente.
Foi com tanta luz que os pesquisadores puderam fazer a prova. Usando quartzo, um dos minerais mais conhecidos cujos átomos – silício e oxigênio – formam uma estrutura quiral, eles mostraram como a luz polarizada circularmente se acopla a fônons quirais. Para fazer isso, eles usaram uma técnica conhecida como dispersão inelástica de raios-X ressonante (RIXS) na Diamond Light Source no Reino Unido. Isso foi complementado com descrições teóricas de suporte de como o processo criaria e permitiria a detecção de fônons quirais de grupos no ETH Zurich (Carl Romão e Nicola Spaldin) e MPI Dresden (Jeroen van den Brink).
“Não costuma funcionar assim na ciência!”
Em seu experimento, a luz polarizada circularmente brilha no quartzo. Os fótons de luz possuem momento angular, que eles transferem para a rede atômica, lançando as vibrações em seu movimento saca-rolhas. A direção que os fônons giram depende da quiralidade intrínseca do cristal de quartzo. À medida que os fônons giram, eles liberam energia na forma de luz espalhada, que pode ser detectada.
Imagine estar em uma rotatória e jogar um Frisbee. Se você jogar o Frisbee com a mesma direção de movimento da rotatória, esperaria que ele zunisse. Jogue-o para o outro lado e ele girará menos, pois o momento angular da rotatória e do Frisbee será cancelado. Da mesma forma, quando a luz circularmente polarizada gira da mesma forma que o fônon que ela excita, o sinal é aprimorado e os fônons quirais podem ser detectados.
Um experimento bem planejado, cálculos teóricos cuidadosos e então algo estranho aconteceu: quase tudo saiu conforme o planejado. Assim que analisaram os resultados, a diferença na resposta conforme a quiralidade da luz invertida era inegável.
“Os resultados foram convincentes quase imediatamente, especialmente quando comparamos a diferença com os outros enantiômeros de quartzo”, lembra o cientista da PSI e primeiro autor da publicação, Hiroki Ueda. Sentado em seu computador para analisar os dados, Ueda foi a primeira pessoa a ver os resultados: “Fiquei verificando meus códigos de análise para ter certeza de que era verdade.” Staub enfatiza: “Não é normal! Geralmente não funciona assim na ciência!”
Maravilhosamente simples
Durante a busca por fônons quirais, houve vários alarmes falsos. Isso resolverá o debate? “Sim, acho que sim, essa é a beleza deste trabalho”, acredita Staub, cuja opinião foi compartilhada pelos árbitros do Natureza. “Porque é simples, bonito e direto. É óbvio. É tão simples, é óbvio que este é o movimento quiral.”
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