La chiralité est une propriété importante de la matière. Elle est définie comme une propriété des objets qui ne peuvent pas être superposés à leur image miroir par une combinaison quelconque de rotations ou de translations, un peu comme les mains gauche et droite distinctes. Dans les cristaux chiraux, la disposition spatiale des atomes donne naissance à une « main » spécifique, la structure cristalline se tordant dans une direction de propagation à la manière d’une vis. Par conséquent, la propagation dans une direction, par exemple d’un courant électrique, peut présenter une résistance différente de celle se propageant dans la direction opposée. Cet effet influence également certaines réactions chimiques et processus biologiques, qui sélectionnent une « main » spécifique. En ce sens, la capacité de contrôler la chiralité à volonté, en transformant une structure droite en une structure gauche, est très souhaitable.
Pourtant, « contrairement à la polarisation électrique ou à l’aimantation, la chiralité manquait d’un levier physique général pour un contrôle externe », note Zhiyang Zeng, premier auteur de cette étude. Les chercheurs du MPSD ont maintenant montré que la contrainte mécanique fournit précisément un tel levier. Plutôt que de synthétiser un matériau chiral, ils partent d’un cristal qui n’est pas chiral dans son état non contraint. L’application d’une contrainte réorganise les positions des atomes dans le cristal juste assez pour créer une structure gauche ou droite.
Pour démontrer cet effet, l’équipe a surveillé l’apparition de l’activité optique du cristal – une signature caractéristique de la chiralité – tout en appliquant une contrainte mécanique contrôlée. Remarquablement, la « main » de l’état chiral induit est déterminée par les conditions de contrainte. La contrainte de traction et la contrainte de compression génèrent des « mains » opposées, tandis que l’application d’une contrainte selon différentes directions du cristal offre une autre façon de sélectionner l’état chiral résultant. « Parce que la déformation est réversible, la chiralité induite peut être générée, supprimée et sélectionnée de manière répétée », explique Michael Först, co-auteur de cette publication.
Au-delà de la démonstration expérimentale de l’effet, l’équipe a établi un cadre théorique qui révèle quand la symétrie cristalline permet cet effet piézochiral. Ils l’ont utilisé pour compiler une base de données en libre accès de matériaux candidats (https://piezochiral.org), permettant aux chercheurs du monde entier de rechercher et d’explorer les cristaux piézochiraux.
Ce travail établit une nouvelle stratégie pour concevoir la chiralité. Au lieu d’être définitivement fixée par la croissance cristalline ou la synthèse chimique, la chiralité peut désormais être générée, contrôlée et commutée à la demande dans un matériau initialement achiral. Cela ouvre de nouvelles possibilités pour contrôler des matériaux mécaniquement reconfigurables.
« Nous avons appelé ce phénomène l’effet piézochiral », déclare Andrea Cavalleri, qui a dirigé la recherche à Hambourg (en collaboration avec Paolo Radaelli de l’Université d’Oxford). « Il permet d’induire une chiralité dans des substrats pour une grande variété de films minces ou dans des matériaux massifs, et pourrait permettre des stratégies pour, par exemple, créer de nouveaux types de propriétés chirales telles que la supraconductivité ».
Ce travail a bénéficié du soutien financier de la Deutsche Forschungsgemeinschaft via le Cluster d’Excellence « CUI : Advanced Imaging of Matter ». Le MPSD est membre du Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), une entreprise conjointe avec DESY et l’Université de Hambourg.
Article : The piezochiral effect – Journal : Nature – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : MPSD
