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Fônons verdadeiramente quirais – ou seja, movimentos atômicos rotativos e propagantes vistos em uma rede cristalina – nunca foram observados em um material 3D a granel. No entanto, agora, os pesquisadores da Tokyo Tech os identificaram no cinábrio.
Quiralidade é a quebra de simetrias de reflexão e inversão. Simplificando, é quando as imagens espelhadas de um objeto não podem ser sobrepostas umas às outras. Um exemplo comum são suas duas mãos – enquanto imagens espelhadas uma da outra, elas nunca podem se sobrepor. A quiralidade aparece em todos os níveis da natureza e é onipresente. Além da quiralidade estática, a quiralidade também pode ocorrer devido ao movimento dinâmico, incluindo a rotação. Com isso em mente, podemos distinguir quiralidade verdadeira e falsa. Um sistema é verdadeiramente quiral se, ao traduzir, a inversão do espaço não equivale à reversão do tempo combinada com uma rotação espacial adequada.
Fônons são quanta (ou pequenos pacotes) de energia associados à vibração de átomos em uma rede cristalina. Recentemente, fônons com propriedades quirais foram teorizados e descobertos experimentalmente em materiais bidimensionais (2D), como disseleneto de tungstênio. Os fônons quirais descobertos estão girando – mas não se propagando – movimentos atômicos. Mas, fônons verdadeiramente quirais seriam movimentos atômicos que estão girando e se propagando, e estes nunca foram observados em sistemas tridimensionais (3D).
Agora, uma equipe de pesquisadores liderada por cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) identificou fônons verdadeiramente quirais, tanto teórica quanto experimentalmente. A equipe, liderada pelo professor Takuya Satoh, do Departamento de Física da Tokyo Tech, observou os fônons quirais no cinábrio (α-HgS). Isso foi alcançado usando uma combinação de cálculos de primeiros princípios e uma técnica experimental chamada espalhamento Raman polarizado circularmente. “Estruturas quirais podem ser sondadas usando técnicas quirais. Portanto, usar luz polarizada circularmente, que tem sua própria orientação (ou seja, destro ou canhoto), é crítico. Estruturas quirais dinâmicas podem ser mapeadas usando momento pseudo-angular (PAM ). Pseudo-momento e PAM se originam dos fatores de fase adquiridos por operações de simetria de translação e rotação discretas, respectivamente”, explica o professor Satoh.
A nova abordagem experimental dos pesquisadores também permitiu que eles investigassem as características fundamentais do PAM. Eles descobriram que a lei da conservação do PAM – uma das principais leis da física – vale entre fótons circularmente polarizados e fônons quirais. “Nosso trabalho também fornece um método óptico para identificar a lateralidade de materiais quirais usando PAM. Ou seja, podemos determinar a lateralidade de materiais com melhor resolução do que a difração de raios X (XRD) pode alcançar. Além disso, XRD requer um cristal grande o suficiente , é invasivo e pode ser destrutivo. O espalhamento Raman polarizado circularmente, por outro lado, nos permitiu determinar a quiralidade de estruturas que XRD não poderia, de maneira não destrutiva e sem contato”, conclui o professor Satoh.
Este estudo é o primeiro a identificar fônons verdadeiramente quirais em materiais 3D, que são claramente distintos daqueles vistos anteriormente em sistemas hexagonais 2D. O conhecimento adquirido aqui pode conduzir novas pesquisas para o desenvolvimento de formas de transferir o PAM de fótons para spins de elétrons por meio da propagação de fônons quirais em dispositivos futuros. Além disso, essa abordagem permite a determinação da verdadeira quiralidade de um cristal de maneira aprimorada, fornecendo uma nova ferramenta crítica para experimentalistas e pesquisadores.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Instituto de Tecnologia de Tóquio. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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