Electrones con quiralidad de masa y carga

¿Alguna vez has colocado la palma de tu mano izquierda sobre el dorso de tu mano derecha, de tal manera que todos los dedos apunten en la misma dirección? Si lo has hecho, probablemente sabes que tu pulgar izquierdo no tocará su contraparte derecha. Ni las rotaciones ni las traslaciones ni sus combinaciones pueden convertir una mano izquierda en una mano derecha y viceversa. Esta característica se llama quiralidad.

Científicos de la Universidad de Konstanz han logrado ahora imprimir dicha quiralidad tridimensional en la función de onda de un solo electrón. Utilizaron luz láser para dar forma a la onda de materia del electrón en espirales de masa y carga zurdas o diestras. Estas partículas elementales diseñadas con geometrías quirales distintas de su espín intrínseco tienen implicaciones para la física fundamental, pero también pueden ser útiles para una gama de aplicaciones, como la óptica cuántica, la física de partículas o la microscopía electrónica. “Estamos abriendo nuevos potenciales para la investigación científica que no se habían considerado antes”, dice Peter Baum, autor correspondiente del estudio y jefe del grupo de investigación Light and Matter en la Universidad de Konstanz.

Quiralidad de partículas individuales y compuestas
Los objetos quirales juegan un papel crucial en la naturaleza y la tecnología. En el ámbito de las partículas elementales, uno de los fenómenos quirales más importantes es el espín, que a menudo se compara con la auto-rotación de una partícula, pero que en realidad es una propiedad puramente mecánica cuántica sin análogo clásico. Un electrón, por ejemplo, tiene un espín de un medio y, por lo tanto, a menudo existe en dos estados potenciales: uno diestro y uno zurdo. Este aspecto fundamental de la mecánica cuántica da lugar a muchos fenómenos importantes del mundo real, como casi todos los fenómenos magnéticos o la tabla periódica de los elementos. El espín del electrón también es fundamental para el desarrollo de tecnologías avanzadas como las computadoras cuánticas o los superconductores.

Sin embargo, también hay objetos quirales compuestos en los que ninguno de los componentes es quiral por sí mismo. Nuestra mano, por ejemplo, está compuesta por átomos sin una quiralidad particular, pero sin embargo es un objeto quiral, como hemos aprendido anteriormente. Lo mismo ocurre con muchas moléculas en las que la quiralidad aparece sin necesidad de ningún componente quiral. Si una molécula está en geometría zurda o diestra puede marcar la diferencia entre un fármaco curativo y una sustancia dañina: ambas versiones pueden tener efectos biológicos muy diferentes debido a su diferente geometría tridimensional. En ciencia de materiales y nanofotónica, la quiralidad influye en el comportamiento de materiales magnéticos y metamateriales, lo que da lugar a fenómenos como los aislantes topológicos o el dicroísmo quiral. La capacidad de controlar y manipular la quiralidad de materiales compuestos formados por componentes aquirales ofrece, por tanto, un rico mando para ajustar las propiedades de los materiales según sea necesario para las aplicaciones.

Cómo inducir quiralidad geométrica en un solo electrón
¿Es posible dar forma a un solo electrón para que se convierta en un objeto tridimensional quiral en términos de carga y masa? En otras palabras: ¿Se puede inducir quiralidad en un electrón sin necesidad de espín? Hasta ahora, los investigadores solo habían movido electrones a lo largo de trayectorias espirales o creado haces de vórtice electrónico en los que la fase de la onda de de Broglie gira alrededor del centro del haz a carga y masa constantes. En contraste, el objeto de onda de materia quiral que los físicos de Konstanz informan en su artículo de Science tiene una onda de de Broglie plana, pero los valores esperados de carga y masa están formados en una forma quiral.

Para crear este objeto, utilizaron un microscopio electrónico de transmisión ultrarrápido y lo combinaron con tecnología láser. Los investigadores primero generaron pulsos de electrones de femtosegundos y luego los formaron en patrones quirales mediante la interacción con ondas láser moduladas con precisión con campos eléctricos espirales. Normalmente, los electrones y los fotones láser no interactúan en un experimento de este tipo, porque la energía y el momento no se pueden conservar. Sin embargo, las membranas de nitruro de silicio, que son transparentes a los electrones pero cambian la fase de la luz láser, facilitaron la interacción en el experimento.

Los campos eléctricos espirales en la onda láser aceleraron o desaceleraron el electrón entrante alrededor del centro del haz, dependiendo de la posición azimutal. Más tarde en el haz, los electrones acelerados o desacelerados finalmente se alcanzaron entre sí, y la función de onda se transformó en una bobina quiral de masa y carga. “Luego usamos la microscopía electrónica de attosegundos para obtener una medición tomográfica detallada del valor esperado del electrón, es decir, la probabilidad de estar en algún lugar en el espacio y el tiempo”, dice Baum, explicando la forma en que midieron las formas generadas. Aparecieron espirales simples o dobles izquierdas o derechas en el experimento. No se necesitó ni espín ni momento angular ni trayectorias espirales para producir esta quiralidad puramente geométrica.

Para investigar si una interacción de espirales electrónicas tridimensionales con otros materiales quirales preservaría la quiralidad, los investigadores colocaron nanopartículas de oro con campos electromagnéticos quirales en su microscopio electrónico y utilizaron las espirales electrónicas quirales para medir la dinámica de dispersión. Dependiendo de si los investigadores disparaban un electrón zurdo a un objeto nanofotónico diestro o viceversa, los resultados mostraron fenómenos de interferencia rotacional constructiva o destructiva. En cierto sentido, la quiralidad general nunca desapareció.

Un mundo completamente nuevo de posibilidades
La capacidad de dar forma a los electrones en espirales quirales de masa y carga abre nuevas vías para la exploración científica y la innovación tecnológica. Por ejemplo, los haces de electrones quirales diseñados deberían ser útiles para pinzas electrónicas ópticas quirales, tecnologías de sensores quirales, microscopía electrónica cuántica o para sondear y crear movimiento rotacional en materiales atómicos o nanoestructurados. Además, contribuirán a la física de partículas general y la óptica cuántica.

“Aunque hasta ahora solo hemos modulado el electrón, una de las partículas elementales más simples, el método es general y aplicable a casi cualquier partícula u onda de materia. ¿Qué otras partículas elementales tienen o pueden tener esas formas quirales, y hay posibles consecuencias cosmológicas?”, dice Baum. El siguiente paso de los investigadores es utilizar sus electrones quirales en la imagen electrónica de attosegundos y la microscopía de dos electrones, para dilucidar aún más la intrincada interacción entre la luz quiral y las ondas de materia quirales para aplicaciones en tecnologías futuras.

Datos clave:

• EMBARGO HASTA EL JUEVES 11 DE JULIO DE 2024, 20:00 CEST (19:00 HORA DE LONDRES, 14:00 HORA ESTÁNDAR DEL ESTE DE EE. UU.)
• Publicación original: Y. Fang, J. Kuttruff, D. Nabben, P. Baum (2024) Electrones estructurados con masa y carga quirales. Ciencia; doi: 10.1126/science.adp9143
• Los físicos de Konstanz han descubierto una forma de imprimir una forma geométrica de quiralidad no vista antes en los electrones.
• El profesor Peter Baum dirige el Grupo de Investigación Light and Matter en el Departamento de Física de la Universidad de Konstanz. Recientemente, su equipo fue galardonado con el Premio Helmholtz a la Investigación Fundamental por el desarrollo de una innovadora técnica de microscopía de attosegundos.
• Financiación: German Research Foundation (DFG; SFB 1432) y Dr. K. H. Eberle Foundation

Nota para los editores:

Puede descargar fotos aquí:

Enlace:
Pie de foto: Representación esquemática de la configuración experimental utilizada para dar forma a los electrones en espirales quirales de masa y carga
Copyright: Dr. Yiqi Fang, Universidad de Konstanz

Enlace:
Pie de foto: Medición de ondas de materia quirales
Copyright: Dr. Yiqi Fang, Universidad de Konstanz