La quiralidad es una propiedad clave que podría transformar la ciencia de materiales. Un nuevo estudio revela cómo surge en el diseleniuro de titanio, un hallazgo con potencial para aplicaciones tecnológicas.
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Laquiralidad es una propiedad que distingue entre objetos con forma de «mano izquierda» o «mano derecha». Es una forma, tal vez, popular y simplificada de verlo, pero también ilustrativa. Este fenómeno, observado comúnmente en moléculas y estructuras biológicas, también puede presentarse a nivel atómico en materiales sólidos. Pero es muy frecuentes en las moléculas de la vida. Recientemente, un equipo internacional de científicos ha desentrañado el mecanismo detrás de la quiralidad en eldiseleniuro de titanio (1T-TiSe₂)un hallazgo con implicaciones potenciales para el diseño de nuevos materiales con propiedades electrónicas singulares.
El estudio, liderado por investigadores del Instituto de Ciencia Básica de Corea del Sur, muestra cómo lasondas de densidad de cargaen el diseleniuro de titanio pueden adquirir una estructura quiral mediante complejas distorsiones en la red cristalina. Cada día vamos descubriendo nuevas propiedades electrónicas y avances tan interesantes como el control de los cristales de tiempo.
¿Qué es la quiralidad y por qué importa en los materiales?
Laquiralidades una propiedad geométrica que se observa cuando un objeto no puede coincidir exactamente con su reflejo, independientemente de cómo se gire o se reoriente. Imagina tus manos: aunque la mano derecha y la izquierda son similares en forma y tamaño, no puedes superponerlas de manera que coincidan perfectamente. Este es un ejemplo cotidiano de quiralidad. Si intentas colocar una mano sobre la otra con las palmas hacia abajo, verás que el pulgar de una apunta en una dirección opuesta al de la otra.
En física de materiales, la quiralidad puede emerger cuando se rompe la simetría espacial dentro de la estructura atómica, resultando en un comportamiento electrónico peculiar. Este fenómeno es fundamental para entender ciertas propiedades electrónicas complejas en materiales sólidos.
En el caso deldiseleniuro de titaniola quiralidad surge a través de unamodulación triple-q de la densidad de carga (por su traducción literal del inglés). Aquí, las ondas de carga se propagan en tres direcciones distintas y están desfasadas entre sí, lo que da lugar a un patrón quiral. Este fenómeno tiene especial relevancia en la investigación de nuevas fases electrónicas en materiales cuánticos, donde las propiedades resultantes pueden aprovecharse para aplicaciones futuras en tecnología avanzada.
El diseleniuro de titanio y su transición a la fase quiral
eldiseleniuro de titanio (1T-TiSe₂)es un material de transición metálica ampliamente estudiado por sus propiedades electrónicas que la hacen única. Este compuesto puede desarrollar unaonda de densidad de carga (CDW, por sus siglas en inglés)un patrón periódico en la distribución electrónica que se asocia con distorsiones en la red cristalina. Estas distorsiones crean una nueva estructura ordenada que cambia las propiedades del material.
Según el reciente estudio, al enfriar el diseleniuro de titanio por debajo de200Kocurre una transición de fase a una modulación triple-q de la densidad de carga. Esta transición se caracteriza por la aparición de ondas de carga desfasadas en tres direcciones, creando una estructura quiral. Aunque ni la densidad de carga ni las distorsiones atómicas presentan quiralidad de manera individual, su combinación rompe todas las simetrías espaciales excepto la traslacional, generando así la estructura quiral observada.
Metodología del estudio: análisis de la estructura quiral
Para confirmar la presencia de quiralidad en eldiseleniuro de titaniolos investigadores utilizaron técnicas avanzadas como laespectroscopía Ramany ladispersión inelástica de rayos X. Estos métodos permitieron examinar las vibraciones de la red cristalina y detectar cambios sutiles en la estructura que no habían sido observados con técnicas convencionales de difracción de rayos X.
Los resultados mostraron picos específicos en los espectros Raman que indicaban una ruptura en la simetría de rotación y de inversión, lo que es un claro indicio de quiralidad. El análisis dejó ver una reducción en la simetría del grupo espacial del material a una forma más baja conocida comoP1lo que confirma la naturaleza quiral del diseleniuro de titanio.
Implicaciones científicas y posibles aplicaciones
El descubrimiento de la quiralidad en el1T-TiSe₂abre nuevas perspectivas en la ciencia de materiales. Laquiralidad influye en las propiedades electrónicas y puede utilizarse para diseñar nuevos materiales con aplicaciones potenciales en lacomputación cuánticay dispositivos electrónicos avanzados. Comprender cómo emergen las fases quirales en los materiales es clave para desarrollar tecnologías basadas en propiedades electrónicas exóticas.
En el ámbito de lacomputación cuánticala capacidad de manipular materiales quirales abre la posibilidad de crearqubitsmás estables, utilizando estados electrónicos que son menos susceptibles a la interferencia y decoherencia. Esto podría mejorar el rendimiento de los dispositivos cuánticos, haciéndolos más eficientes y fiables.
Además, la quiralidad también puede aprovecharse en el desarrollo de sensores avanzados y dispositivos deespintrónicouna tecnología que utiliza el espín de los electrones para procesar información. Los materiales quirales presentan una interacción especial entre el espín del electrón y la estructura del material, lo que facilita el diseño de componentes que pueden detectar cambios en el entorno con mayor precisión.
Por último, el estudio de la quiralidad en materiales como el1T-TiSe₂permite investigar transiciones de fase complejas y dinámicas no lineales en la red cristalina, ofreciendo un campo de estudio para comprender mejor cómo se relacionan las propiedades electrónicas con las estructuras atómicas en diferentes condiciones. Estos conocimientos podrían ser aplicados en la fabricación dedispositivos electrónicos flexiblescon propiedades ajustables que respondan a estímulos externos como la temperatura o el estrés mecánico.
Referencias
- Kim, K., Kim, HW.J., Ha, S.et al.Origen de la onda de densidad de carga quiral en dicalcogenuro de metales de transición.Nat. Física.(2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02668-w
