Un nuevo giro en la quiralidad: los investigadores amplían

A menudo es deseable limitar los flujos, ya sea de sonido, electricidad o calor, en una sola dirección, pero los sistemas naturales casi nunca lo permiten. Sin embargo, el flujo unidireccional se puede diseñar bajo ciertas condiciones, y se espera que los sistemas resultantes muestren un comportamiento quiral.

El concepto de quiralidad se limita tradicionalmente a flujos unidireccionales en una dimensión. Sin embargo, en 2021, los investigadores que trabajan con Taylor Hughes, profesor de física en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, introdujeron una extensión teórica que puede explicar flujos quirales más complejos en dos dimensiones. Ahora, un equipo dirigido por Hughes y Gaurav Bahl, profesor de ciencia e ingeniería mecánica de la UIUC, ha realizado esta extensión de forma experimental. Como informaron los investigadores en Nature Communications, construyeron una red de circuitos topológicos, un sistema electrónico que simula el comportamiento microscópico de los materiales cuánticos, para explorar los comportamientos completamente nuevos predichos por esta quiralidad extendida o de mayor rango.

“En efecto, hemos generalizado la idea de una calle bidimensional de sentido único”, dijo Hughes. «En dos dimensiones, no hay una sensación absoluta de que algo vaya en una dirección u otra, pero si llevas contigo una flecha fija, aún puedes describir el movimiento quiral relativo a esa flecha».

De hecho, la quiralidad de orden superior se manifiesta como un bloqueo entre la dirección del flujo de una partícula y la dirección de una flecha, o cantidad vectorial, que lleva consigo. Para este estudio, el equipo se centró en la quiralidad de rango 2, donde el flujo está bloqueado para que sea transversal al vector de momento que llevan las partículas. Penghao Zhu, autor principal del estudio y estudiante graduado de física en la UIUC, explicó: “En la quiralidad estándar, los flujos solo pueden ir en una dirección, digamos a la derecha. Cependant, un système de rang 2 est conçu de sorte que si l’élan d’une particule est vers le haut, alors il s’écoule vers la droite, et si l’élan pointe vers le bas, alors il s’écoule vers la izquierda.

En el estudio de 2021, el grupo de Hughes propuso un sistema de material cuántico para quiralidad de rango 2, pero su equipo interdisciplinario se dio cuenta de que podían explorar los comportamientos de este sistema con una red de circuitos topológicos. En esta plataforma, la quiralidad es una consecuencia de la disipación o fricción microscópica, llamada no hermiticidad, que fue diseñada para impactar solo los flujos en direcciones particulares, por lo que los flujos no deseados mueren rápidamente, dejando solo el flujo en la dirección deseada.

Zhu y su becario posdoctoral Xiao-Qi Sun diseñaron una red de circuitos que exhibe la no hermiticidad necesaria, y colaboraron con Bahl para construir este «metamaterial» y realizar mediciones experimentales. Según Zhu, el material exhibió una firma importante de los sistemas quirales: el efecto de piel no hermítica, donde la unidireccionalidad impuesta hace que el flujo se acumule en el límite del sistema.

«Además, nuestro experimento muestra nuevos fenómenos que no se han explorado antes, como la localización de esquinas, donde los flujos se acumulan en las esquinas de los materiales», dijo. «Esto es algo muy especial para la quiralidad de rango 2 y no se puede ver en ningún efecto de piel que se haya demostrado previamente».

Las generalizaciones que ofrece la quiralidad de orden superior sugieren una nueva clase de dispositivos que podrían usarse para filtrar flujos y diseñar haces ópticos. Sun imagina un dispositivo que separa fotones, o partículas de luz, de acuerdo con la dirección en la que viajan: si solo se desean fotones que viajan hacia la derecha, entonces un material quiral de rango 2 podría eliminar los fotones que se propagan hacia la izquierda forzándolos en otra dirección. dirección. dirección a desviarse.

«Se podría hacer otro mapeo útil de esta idea para dispositivos electrónicos de estado sólido, donde se pueden lograr operaciones de filtrado nuevas y únicas con electrones», dijo Bahl. «Casi toda la electrónica de computación y comunicación que usamos hoy en día se basa en controlar el flujo de electrones. Si somos capaces de reproducir este comportamiento quiral de rango superior en la microelectrónica, un comportamiento al que nunca antes habíamos accedido, esto podría conducir a nuevas aplicaciones transformadoras». .

Sun agregó que la verdadera recompensa de estudiar sistemas de rango superior es una comprensión más profunda de lo que es posible.

«Al diseñar y construir sistemas que amplíen nuestra comprensión, estamos dando el primer paso hacia un universo mucho más generalizado», dijo.