Cientistas estendem conceito de direcionalidade e propõem nova classe de materiais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/06/2023

A quiralidade de ordem superior foi demonstrada em um metamaterial simples.
[Imagem: Penghao Zhu et al. - 10.1038/s41467-023-36130-x]

Quiralidade de alta ordem

Frequentemente é desejável restringir fluxos - seja de eletricidade, calor ou som - a uma direção, mas os sistemas naturais quase nunca permitem isso.

Felizmente, o fluxo unidirecional pode ser projetado e engenheirado artificialmente, como acontece nos diodos, os componentes eletrônicos que deixam a eletricidade ir num sentido e não noutro, e que estão na base de toda a nossa tecnologia. Esses sistemas apresentam o que os físicos chamam de comportamento quiral - a palavra quiral se refere a objetos que não podem ser sobrepostos às suas imagens no espelho.

O conceito de quiralidade tradicionalmente tem-se limitado a fluxos de direção única em uma dimensão, como um fio ou um cano. Em 2021, no entanto, três pesquisadores apresentaram uma extensão teórica capaz de explicar fluxos quirais em duas dimensões, muito mais intrincados, em uma classe emergente de materiais, conhecidos como semimetais de Weyl.

Agora, essa quiralidade de alta ordem foi finalmente demonstrada experimentalmente em um sistema eletrônico que simula o comportamento dos materiais em nível microscópico.

"Na verdade, generalizamos a ideia de uma via de mão única para duas dimensões. Em duas dimensões, não há uma sensação absoluta de algo indo para um lado ou para o outro, mas se você carregar uma flecha fixa com você, ainda poderá descrever o movimento quiral em relação a essa flecha," explicou o professor Taylor Hughes, da Universidade de Illinois, nos EUA.

Surgiu ainda um efeito inesperado, em que os fluxos podem se acumular nos cantos, algo que a equipe pretende estudar mais a fundo.
[Imagem: Penghao Zhu et al. - 10.1038/s41467-023-36130-x]

Quiralidade 2D

A quiralidade de nível superior se manifestou como um travamento entre a direção do fluxo de uma partícula e a direção de uma seta - ou quantidade vetorial - que ela carrega consigo.

"Na quiralidade padrão, os fluxos só podem ir para um lado - para a direita, digamos. No entanto, um sistema de nível-2 é projetado de modo que, se o momento de uma partícula for para cima, ela fluirá para a direita e, se o momento apontar para baixo, ela fluirá para a esquerda," contou Penghao Zhu, membro da equipe.

E, ao construir seu experimento de demonstração, a equipe se deparou ainda com um comportamento inesperado, não previsto pela teoria original.

"Nosso experimento mostra novos fenômenos que não foram explorados anteriormente, como a localização de cantos, onde os fluxos se acumulam nos cantos do material. Isso é algo muito especial para a quiralidade de nível 2 e não pode ser visto em nenhum efeito superficial que tenha sido demonstrado anteriormente," disse Zhu.

É como se a eletrônica tivesse ganho uma nova dimensão.
[Imagem: Penghao Zhu et al. - 10.1038/s41467-023-36130-x]

Aplicações

As generalizações oferecidas pela quiralidade de nível superior sugerem uma nova classe de dispositivos que poderão ser usados para filtrar fluxos e projetar feixes ópticos, efetivamente criando uma nova dimensão para a eletrônica, para a fotônica e para todos os demais campos que lidam com fluxos.

A equipe sugere, por exemplo, um dispositivo que separe os fótons, ou partículas de luz, com base na direção em que viajam: Se apenas os fótons que viajam para a direita forem desejados, um material quiral de nível 2 poderia remover os fótons que se propagam para a esquerda, forçando-os a um caminho diferente para serem descartados.

"Outro mapeamento útil dessa ideia pode ser feito para dispositivos eletrônicos semicondutores, onde operações de filtragem novas e únicas podem ser realizadas com elétrons," sugeriu o professor Gaurav Bahl. "Praticamente todos os dispositivos eletrônicos de computação e comunicação que usamos hoje dependem do controle do fluxo de elétrons. Se formos capazes de replicar esse comportamento quiral de nível superior em microeletrônica, um comportamento ao qual nunca tivemos acesso antes, isso poderá levar a algumas novas aplicações transformadoras."

"Ao projetar e construir sistemas que ampliam nossa compreensão, estamos dando o primeiro passo em direção a um universo muito mais generalizado," completou o professor Xiao-Qi Sun.

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