X射線在渦旋的電渦流中顯示手性

【博科園-科學科普】科學家們在美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)使用螺旋x射線觀測，首次發現了一種能使旋流的電模式，被稱為極地渦旋的特性。這種特性，也被稱為手性，可能會打開一種新的方法來存儲數據，通過控制材料陣列中的左或右撇子，同樣的方法，磁性材料被操縱以將數據存儲在計算機內存中。

研究人員表示，這種行為還可以與磁性或光學(光)設備相結合，從而更好地控制電子開關。手性存在於許多形式和許多尺度上，從我們自己的DNA螺旋樓梯設計到螺旋星系的旋轉和漂移;它甚至可以決定一個分子在我們體內是一種藥物還是一種毒藥。例如，一種被稱為d-葡萄糖的分子化合物，它是人類生活的一種基本成分，是糖的一種形式。然而，它的左旋對應物，l-葡萄糖，在人類生物學中並不是很有用。

就像人們可以是左撇子或右撇子一樣，科學家們已經觀察到在一個分層材料中旋轉的電渦流中的手性或「手性」。圖片版權：Pixabay

伯克利實驗室高級光源(ALS)的資深科學家Elke Arenholz說:「在這種電子結構中，手性是前所未有的。」這是該研究的關鍵所在，也是這項研究的關鍵所在。該研究發表在1月15日的《美國國家科學院院刊》上。實驗結果可以區分出左手性手性和右手性手性。這為全新的科學提供了新的機會，有可能打開應用程序。

想像一下,一個可以轉換一個右撇子的分子左旋的形式通過應用電場,或人為的工程師與一個特定的手性材料，教師在伯克利實驗室的資深科學家材料科學部門和實驗室的實驗室副主任能源技術領域,共同的最新研究。拉梅什也是加州大學伯克利分校材料科學與物理學教授，他在加州大學伯克利分校定製了一種新型材料。該研究的主要作者、ALS協會的研究科學家Padraic Shafer和Arenholz一起進行了x射線的實驗，揭示了材料的手性。

這些樣品包括一層鈦酸鉛(PbTiO3)和一層鈦酸鍶(SrTiO3)，它們以交替的形式被夾在一起，形成一種稱為超晶格的物質。研究人員還研究了這些材料的可調諧電性能，使它們成為精密感測器和其他用途的元件的候選材料。這兩種化合物都沒有表現出任何偏手性，但當它們結合到精確的層狀超晶格中時，就形成了具有手性的旋渦結構。

手性可能具有額外的功能，與使用磁場來重新排列材料磁性結構的設備相比。在美國伯克利實驗室的國家電子顯微鏡研究中心，研究人員首先使用一種功能強大的電子顯微鏡發現了這些材料中的電子模式。電子顯微鏡是實驗室的分子結晶器的一部分，儘管它採用了一種特殊的x射線技術來識別它們的手性。

這張圖展示了x射線實驗的設置，它探索了一種分層材料的手性，或者說手性。左上方的藍色和紅色的螺旋狀物顯示了用來探測材料的x射線。x射線散射出材料層(右上方的箭頭和相關的x射線圖像)，使研究人員能夠測量材料內部漩渦狀電子渦旋的手性。圖片版權：Berkeley Lab

x射線測量必須在極端的幾何圖形中進行，這是大多數實驗設備無法做到的，使用了一種被稱為共振軟x射線衍射的技術，在其電子結構和屬性中探測周期性納米尺度的細節。螺旋狀的x射線，被稱為圓偏振x射線，使得研究人員可以在樣本中測量左手性和右手性的手性。

他同時也是加州大學伯克利材料科學與工程學系的一名教員，花了很多時間去理解研究結果，以及大量的建模和討論。西班牙坎塔布里亞大學的理論學家和他們的計算專家網路計算了在解釋x射線數據的過程中產生的渦流結構。同樣的科學團隊正在研究其他類型和材料的組合，以測試其對手性和其他性能的影響。

有大量的材料可以被替代，並且希望這些層可以被更高級的功能材料所取代。研究人員還計劃測試是否有新的方法來控制這些層狀材料的手性，例如將具有電可轉換特性的材料與具有磁性可切換特性的材料相結合。既然我們對磁結構了解得這麼多，我們可以考慮利用這一眾所周知的磁性連接來將這個新發現的屬性應用到設備中。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：國家科學院學報

內容：「博科園」判定符合今主流科學

來自：勞倫斯伯克利國家實驗室

編譯：雙螺旋

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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