Una nuova svolta sulla chiralità: i ricercatori estendono il concetto di direzionalità e propongono una nuova classe di materiali

8 maggio 2023

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di Michael O'Boyle, Grainger College of Engineering dell'Università dell'Illinois

Spesso è desiderabile limitare i flussi – siano essi di suono, elettricità o calore – in una direzione, ma i sistemi naturali non lo consentono quasi mai. Tuttavia, il flusso unidirezionale può effettivamente essere progettato in determinate condizioni e si dice che i sistemi risultanti mostrino un comportamento chirale.

Il concetto di chiralità è tradizionalmente limitato a flussi in una sola direzione in una dimensione. Nel 2021, tuttavia, i ricercatori che lavorano con Taylor Hughes, professore di fisica presso l’Università dell’Illinois Urbana-Champaign, hanno introdotto un’estensione teorica che può tenere conto di flussi chirali più complessi in due dimensioni.

Ora, un team guidato da Hughes e Gaurav Bahl, professore di scienza e ingegneria meccanica dell’UIUC, ha realizzato sperimentalmente questa estensione. Come riportato su Nature Communications, i ricercatori hanno costruito una rete di circuiti topologici, un sistema elettronico che simula il comportamento microscopico dei materiali quantistici, per esplorare i comportamenti completamente nuovi previsti da questa chiralità estesa o di rango superiore.

"In effetti, abbiamo generalizzato l'idea di una strada a senso unico in due dimensioni", ha detto Hughes. "In due dimensioni non c'è la sensazione assoluta che qualcosa vada in un modo o nell'altro, ma se porti con te una freccia fissa, puoi comunque descrivere il movimento chirale relativo a quella freccia."

In effetti, la chiralità di rango superiore si manifesta come un blocco tra la direzione del flusso di una particella e la direzione di una freccia, o quantità vettoriale, che porta con sé. Per questo studio, il team si è concentrato sulla chiralità di grado 2 in cui il flusso è bloccato per essere trasversale al vettore di quantità di moto trasportato dalle particelle.

Penghao Zhu, autore principale dello studio e studente laureato in fisica dell'UIUC, ha spiegato: "Nella chiralità standard, i flussi possono andare solo in una direzione: a destra, diciamo. Tuttavia, un sistema di grado 2 è progettato in modo tale che se la quantità di moto di una particella è in alto, allora scorre a destra, e se lo slancio punta verso il basso, allora scorre a sinistra."

Nello studio del 2021, il gruppo di Hughes ha proposto un sistema materiale quantistico per la chiralità di grado 2, ma il loro team interdisciplinare si è reso conto che potevano invece esplorare i comportamenti di questo sistema con una rete di circuiti topologici. Su questa piattaforma, la chiralità è una conseguenza della dissipazione o attrito microscopico, chiamata non-ermiticità, che è stata progettata per influenzare solo i flussi in direzioni particolari in modo tale che i flussi indesiderati si estinguano rapidamente, lasciando solo il flusso nella direzione desiderata.

Zhu e il ricercatore post-dottorato Xiao-Qi Sun hanno progettato una rete di circuiti che mostra la necessaria non-ermiticità e hanno collaborato con Bahl per costruire questo materiale "meta" ed eseguire misurazioni sperimentali. Secondo Zhu, il materiale mostrava un'importante firma dei sistemi chirali: l'effetto pelle non hermitiano, dove l'unidirezionalità imposta fa sì che il flusso si accumuli sul confine del sistema.

"Inoltre, il nostro esperimento mostra nuovi fenomeni che non erano stati esplorati in precedenza, come la localizzazione degli angoli, dove i flussi si accumulano negli angoli dei materiali", ha detto. "Questo è qualcosa di molto speciale per la chiralità di grado 2 e non può essere visto in nessun effetto sulla pelle che sia stato precedentemente dimostrato."

Le generalizzazioni offerte dalla chiralità di rango superiore suggeriscono una nuova classe di dispositivi che potrebbero essere utilizzati per filtrare i flussi e progettare fasci ottici. Sun immagina un dispositivo che separa i fotoni, o particelle di luce, in base alla direzione in cui viaggiano: se si desiderano solo i fotoni che viaggiano verso destra, allora un materiale chirale di rango 2 potrebbe rimuovere i fotoni che si propagano verso sinistra forzandoli in una direzione diversa. direzione da scartare.