Handednedness em um materials

4 de junho de 2025&bala; Física 18, 113

Uma nova estrutura para o estudo de materiais quirais coloca a ênfase na quiralidade dos elétrons, e não na assimetria da estrutura atômica.

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A quiralidade é uma característica basic da natureza, manifestando -se entre as escalas – de partículas e moléculas elementares a organismos biológicos e formação de galáxias. Um objeto é considerado quiral se não puder ser sobreposto em sua imagem espelhada. Na física da matéria-prima, a quiralidade é vista principalmente como uma assimetria estrutural no arranjo espacial de átomos dentro de uma treliça de cristal (1). Um fato talvez menos acquainted é que a quiralidade também é uma propriedade quântica basic de estados de elétrons individuais (2). Agora, Tatsuya Miki, da Universidade Saitama, no Japão, e colegas introduzem a quiralidade dos elétrons como uma estrutura para quantificar a quebra de simetria em sólidos, concentrando -se em materiais axiais quirais e relacionados (3). Os pesquisadores propõem uma maneira de medir a quiralidade eletrônica com espectroscopia de fotoemissão. Essa nova perspectiva sobre quiralidade pode abrir caminhos para descobrir novas propriedades funcionais em materiais assimétricos.

Um exemplo acquainted de um objeto quiral é a mão humana: as mãos esquerda e direita não podem ser sobrepostas e são imagens espelhadas uma da outra. Partículas fundamentais como o elétron também podem exibir quiralidade, com base na chamada transformação de paridade na teoria do campo quântico (2). Essa operação semelhante ao espelho relaciona dois estados quirais-um estado canhoto e um estado destro-que se comportam de maneira diferente sob a força fraca. Os elétrons canhotos, por exemplo, têm interações fracas, mas os destros não. Uma propriedade intimamente relacionada à quiralidade é a helicidade: a projeção da rotação na direção do momento. No caso de férmions sem massa, os estados de helicidade e quiralidade coincidem.

Na física da matéria condensada, a quiralidade é vista principalmente como uma assimetria estrutural. Um arranjo quiral de átomos é aquele que quebra certas simetrias – especificamente, simetrias “inadequadas” que incluem reflexão e inversão (1). O estudo dos materiais quirais tem uma história vívida e de longa knowledge. Em 1848, Louis Pasteur observou o sal de ácido tartárico duplo-amônio de sódio sob um microscópio e notou dois tipos de cristais, cada uma com uma imagem espelhada do outro. Quando dissolvido em água separadamente, cada solução girou a luz polarizada em direções opostas – a primeira observação da atividade óptica decorrente da quiralidade na estrutura molecular.

Avançando rapidamente para o século XXI, os pesquisadores continuam interessados ​​em materiais quirais, especialmente em como a quiralidade de sua estrutura cristalina afeta as propriedades eletrônicas e de spin. Por exemplo, experimentos recentes demonstraram que um materials quiral pode atuar como uma fonte eficiente de polarização de spin elétrons, um efeito conhecido como seletividade de spin induzida por quiralidade (CISS) (4). Cristais quirais também exibem topologias de estrutura de banda não convencionais e estados de superfície (5). Trabalhos mais recentes estabeleceram uma conexão entre quiralidade e textura orbital – o arranjo de órbitas eletrônicas no espaço recíproco (momento) (6Assim, 7).

Esses exemplos destacam uma visão de cima para baixo na qual a estrutura quiral transmite comportamento quiral aos elétrons. No entanto, os estados de elétrons quirais podem surgir em cristais achirais. Os semimetais de Weyl com simetria de inversão quebrada, por exemplo, são achirais e, no entanto, eles hospedam quasipartículas que se comportam como férmions weyl sem massa com manutenção específica (8). Essa quiralidade eletrônica é codificada na distribuição de momento da curvatura da baga – uma propriedade das funções de onda de Bloch que atua como um campo magnético no espaço recíproco (9). Essa rica fenomenologia motiva uma abordagem de baixo para cima, na qual a quiralidade dos elétrons é considerada uma propriedade intrínseca de um materials.

Miki e colegas estabelecem a quiralidade dos elétrons como um grau microscópico de liberdade em um materials, juntamente com os graus de liberdade mais tradicionais que são cobrados, rotação e movimento orbital. O estado quiral de um elétron – sua “mão” – é descrito como a projeção do giro do elétron ao longo da direção de seu momento. Alguns elétrons em um materials são chirais esquerdos, outros quirais direito, mas a maioria é uma mistura dos dois. Os pesquisadores consideram a densidade da quiralidade, uma quantidade dependente de posição que representa a diferença entre contribuições direita-quiral e esquerda-quiral para a densidade de carga. Além disso, eles introduzem a densidade da axialidade como a diferença entre as contribuições da direita e da esquerda-quiral para a polarização elétrica.

Equipados com essa estrutura, eles realizam cálculos de primeiros princípios para o materials quiral telúrio (TE) e o materials Ferroaxial Okay₂ZR (PO₄)₂. A ordem Ferroaxial é semelhante à ferroeletricidade, mas envolve uma distorção estrutural rotacional. Os cálculos revelam distribuições espaciais características da quiralidade dos elétrons dentro da célula da unidade de cristal, relacionada às simetrias de treliça quiral e axial. Indo além, os autores calculam a dependência energética da quiralidade eletrônica de média espacial, que pode ser considerada a diferença entre contribuições quirais direita e esquerda-quiral para a densidade dos estados (DOS). Para TE, a dependência energética deste DOS resolvido por quiralidade mostra variações rápidas e alterações de sinais, indicando que um materials quiral com uma estrutura canhoto pode conter predominantemente elétrons quirais esquerdo ou quiral direito, dependendo dos detalhes microscópicos do materials (Fig. 1). Alterar a quiralidade do cristal da esquerda para a destra, no entanto, também troca a quiralidade dos elétrons.

A equipe propõe uma maneira de investigar experimentalmente quiralidade eletrônica usando dicroísmo round em espectroscopia de fotoelétrons resolvida por ângulo (ARPES). O ARPES, no qual a radiação é usada para libertar elétrons de um materials, fornece informações sobre energia e momento sobre os estados de elétrons de Bloch individuais na estrutura da banda de um cristal. No dicroísmo round, a radiação de entrada é polarizada circularmente, permitindo que mais informações sejam coletadas sobre esses estados de Bloch. Este método foi usado anteriormente para investigar as propriedades quirais das quasipartículas em um semimetal de Weyl (10).

Miki e colegas calculam a resposta do ARPES para o materials quiral COSI e encontram uma correspondência entre o dicroísmo round resolvido pelo momento e a quiralidade eletrônica. Os resultados fornecem uma conexão promissora com os recentes experimentos de ARPEs sobre o COSI, nos quais foram observados dicroísmo round induzido por quiralidade (6). No entanto, nesta fase, a relação entre dicroísmo round e quiralidade eletrônica ainda precisa ser explorada em mais detalhes. Enquanto o último deriva da rotação do elétron, o primeiro é tipicamente considerado para refletir o grau orbital de liberdade – pelo menos dentro da aproximação dipolo – complicando o potencialmente uma correspondência direta. A adição de resolução de rotação na medição do ARPES pode abrir uma by way of experimental adicional para investigar a quiralidade dos elétrons.

Os materiais quirais – e mais geralmente materiais com simetria reduzida – são de interesse specific porque exibem propriedades funcionais, como ferroeletricidade, piezoeletricidade e comportamento óptico não linear. Esses materiais também têm o potencial de exibir novos fenômenos que podem impulsionar campos emergentes, como spintronics e orbitônicos. Os resultados de Miki e colegas abrem caminho para uma análise melhorada de como as simetrias da rede nesses sistemas afetam as propriedades eletrônicas no nível microscópico. Isso ajudará a exploração de novas funcionalidades e fenômenos em materiais assimétricos. Uma direção futura interessante é estender a estrutura a materiais magnéticos, o que pode produzir insights sobre a relação entre quiralidade eletrônica e configurações de spin não colineares.

Sobre o autor

Hendrik Bentmann é professor associado de física experimental na Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia (NTNU) em Trondheim. Ele é um investigador primário no Centro de Sintrônica Quantum (Quspin) na NTNU. Depois de obter seu mestrado na Universidade do Texas em Austin e seu doutorado na Universidade de Würzburg, Alemanha, ele foi o principal investigador do Centro de Eletrônicos Topológicos e Correlacionados em superfícies e interfaces (TocoTronics) em Würzburg. Ele usa espectroscopia de fotoelétrons para estudar fenômenos topológicos e coletivos em materiais complexos.

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