Hallazgos publicados en Naturaleza resolver la disputa: los fonones pueden ser quirales. Este concepto fundamental, descubierto usando luz circular de rayos X, ve fonones retorciéndose como un sacacorchos a través del cuarzo.
En toda la naturaleza, en todas las escalas, puede encontrar ejemplos de quiralidad o lateralidad. Imagínese tratando de comer un sándwich con dos manos que no fueran enantiómeros (imágenes especulares no superponibles) entre sí. Considere los desastres farmacológicos causados por la administración del enantiómero de fármaco equivocado o, a escala subatómica, la importancia del concepto de paridad en la física de partículas. Ahora, gracias a un nuevo estudio dirigido por investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI, sabemos que los fonones también pueden poseer esta propiedad.
Un fonón es una cuasipartícula que describe las excitaciones vibratorias colectivas de los átomos en una red cristalina; imagínelo como el Riverdance irlandés de los átomos. Los físicos han predicho que si los fonones pueden demostrar quiralidad, podrían tener implicaciones importantes en las propiedades físicas fundamentales de los materiales. Con el rápido aumento en los últimos años de la investigación sobre materiales topológicos que exhiben curiosas propiedades superficiales electrónicas y magnéticas, ha crecido el interés por los fonones quirales. Sin embargo, la prueba experimental de su existencia sigue siendo esquiva.
Lo que hace que los fonones sean quirales son los pasos de su baile. En el nuevo estudio, las vibraciones atómicas dan un giro que avanza como un sacacorchos. Este movimiento de sacacorchos es una de las razones por las que ha habido tal impulso para descubrir el fenómeno. Si los fonones pueden girar de esta manera, como la bobina de alambre que forma un solenoide, quizás podrían crear un campo magnético en un material.
Una nueva perspectiva del problema.
Es esta posibilidad la que motivó al grupo de Urs Staub en PSI, quien dirigió el estudio. «Es porque estamos en la coyuntura entre la ciencia de rayos X ultrarrápidos y la investigación de materiales que podemos abordar el problema desde un ángulo diferente», dice. Los investigadores están interesados en manipular modos quirales de materiales utilizando luz quiral, luz que está polarizada circularmente.
Estaba usando tal luz que los investigadores pudieron hacer su prueba. Usando cuarzo, uno de los minerales más conocidos cuyos átomos, el silicio y el oxígeno, forman una estructura quiral, mostraron cómo la luz polarizada circularmente se acoplaba a los fonones quirales. Para hacer esto, utilizaron una técnica conocida como dispersión de rayos X inelástica resonante (RIXS) en Diamond Light Source en el Reino Unido. Esto se complementó con descripciones teóricas de apoyo de cómo el proceso crearía y permitiría la detección de fonones quirales de grupos en ETH Zurich (Carl Romao y Nicola Spaldin) y MPI Dresden (Jeroen van den Brink).
«¡Normalmente no funciona así en ciencia!»
En su experimento, la luz polarizada circularmente brilla sobre el cuarzo. Los fotones de luz poseen momento angular, que transfieren a la red atómica, lanzando las vibraciones en su movimiento de sacacorchos. La dirección en la que giran los fonones depende de la quiralidad intrínseca del cristal de cuarzo. A medida que los fonones giran, liberan energía en forma de luz dispersa, que se puede detectar.
Imagínese parado en una rotonda y lanzando un frisbee. Si lanza el Frisbee con la misma dirección de movimiento que la rotonda, esperaría que zumbara. Lánzalo hacia el otro lado y girará menos, ya que el momento angular de la rotonda y el frisbee se cancelarán. De la misma manera, cuando la luz polarizada circularmente gira de la misma manera que el fonón que excita, la señal se mejora y los fonones quirales podrían detectarse.
Un experimento bien planeado, cálculos teóricos cuidadosos, y luego sucedió algo extraño: casi todo salió según lo planeado. Tan pronto como analizaron los resultados, la diferencia en la respuesta a medida que cambiaba la quiralidad de la luz era innegable.
«Los resultados fueron convincentes casi de inmediato, especialmente cuando comparamos la diferencia con los otros enantiómeros de cuarzo», recuerda el científico de PSI y primer autor de la publicación, Hiroki Ueda. Sentado frente a su computadora para analizar los datos, Ueda fue la primera persona en ver los resultados: «Seguí revisando mis códigos de análisis para asegurarme de que fuera cierto». Staub enfatiza: «¡No es normal! ¡Normalmente no funciona así en la ciencia!»
Maravillosamente simple
Durante la búsqueda de fonones quirales, ha habido varias falsas alarmas. ¿Acabará esto con el debate? «Sí, creo que sí, esa es la belleza de este trabajo», cree Staub, cuya opinión fue compartida por los árbitros en Naturaleza. «Porque es simple, hermoso y directo. Es obvio. Es tan simple, es obvio que este es el movimiento quiral».