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Dienstag, den 28. Januar 2025 um 04:54 Uhr

Terahertz-Pulse induzieren Chiralität in einem nicht-chiralen Kristall

Chiralität ist eine grundlegende Eigenschaft von Materie, die viele biologische, chemische und physikalische Phänomene beeinflusst. Sie wird bereits beim Wachstum des Materials festgelegt, was bedeutet, dass links- und rechtshändige Enantiomere nicht ohne Schmelzen und erneutes Kristallisieren umgewandelt werden können. Forscher des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) und der Universität Oxford haben jedoch gezeigt, dass Terahertz-Licht Chiralität in einem nicht-chiralen Kristall induzieren kann, wodurch gezielt entweder links- oder rechtshändige Enantiomere erzeugt werden können. Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten zur Erforschung von Nichtgleichgewichtsphänomenen in komplexen Materialien.

Chiralität beschreibt Objekte, die sich nicht durch Drehungen oder Verschiebungen mit ihrem Spiegelbild überlagern lassen, ähnlich wie die linke und rechte Hand eines Menschen. In chiralen Kristallen bestimmt die räumliche Anordnung der Atome ebenfalls eine spezifische "Händigkeit", die beispielsweise die optischen und elektrischen Eigenschaften beeinflusst.

Das Forschungsteam aus Hamburg und Oxford untersuchte sogenannte antiferro-chirale Materialien, eine Form nicht-chiraler Kristalle, die Ähnlichkeiten mit antiferromagnetischen Materialien aufweisen. In diesen Materialien richten sich die magnetischen Momente in einem versetzten Muster entgegengesetzt aus, was zu einer insgesamt verschwindenden Magnetisierung führt. Ein antiferro-chiraler Kristall besteht aus gleichen Anteilen von links- und rechtshändigen Unterstrukturen in einer Elementarzelle, wodurch er insgesamt nicht-chiral bleibt.

Die Forschenden unter der Leitung von Andrea Cavalleri nutzten Terahertz-Licht, um dieses Gleichgewicht im nicht-chiralen Material Boronphosphat (BPO4) aufzuheben und so Chiralität auf ultraschnellen Zeitskalen zu induzieren. "Wir nutzen einen Mechanismus, der als nichtlineare Phononik bezeichnet wird", erklärt Zhiyang Zeng, Hauptautor dieser Arbeit. "Durch die Anregung einer spezifischen Schwingungsmode im Terahertz-Frequenzbereich, der das Kristallgitter entlang der Koordinaten anderer Moden im Material verschiebt, erzeugten wir einen chiralen Zustand, der mehrere Pikosekunden anhält", fügt er hinzu. "Bemerkenswert ist, dass wir durch die Drehung der Polarisation des Terahertz-Lichts um 90 Grad entweder eine links- oder rechtshändige chirale Struktur gezielt induzieren konnten", ergänzt Koautor Michael Först.

"Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten zur dynamischen Kontrolle von Materie auf atomarer Ebene", sagt Andrea Cavalleri, Gruppenleiterin am MPSD. "Wir sind gespannt auf die potenziellen Anwendungen dieser Technologie und darauf, wie sie genutzt werden kann, um einzigartige Funktionalitäten zu schaffen. Die Fähigkeit, Chiralität in nicht-chiralen Materialien zu induzieren, könnte zu neuen Anwendungen in ultraschnellen Speichervorrichtungen oder sogar in fortschrittlicheren optoelektronischen Plattformen führen."


Den Artikel finden Sie unter:

https://www.mpsd.mpg.de/956736/2025-01-terahertz-zeng?c=2724

Quelle: Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (01/2025)


Publikation:
Photo-induced chirality in a nonchiral crystal
Z. Zeng, M. Först, M. Fechner, M. Buzzi, E. Amuah, C. Putzke, P.J.W. Moll, D. Prabhakaran, P. Radaelli, A. Cavalleri
Science 387, 431–436 (2025)
https://doi.org/10.1126/science.adr4713

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