Fyzici popsali piezochiralitu: u části nechirálních krystalů určí stáčivost tah a tlak

Chiralita je vlastnost předmětu, který se nedá ztotožnit se svým zrcadlovým obrazem. Nejbližší příklad má každý na konci paží: levá ruka není pravá, ať s ní otáčíte, jak chcete. V krystalu ji vytváří rozmístění atomů – mřížka se podél některého směru stáčí jako závit šroubu a je pak buď levotočivá, nebo pravotočivá.

Není to detail pro krystalografy. Na stáčivosti závisí, jestli proud tekoucí jedním směrem narazí na jiný odpor než proud opačný, a stojí na ní kus chemie a biologie: některé chemické reakce a biologické pochody si ze dvou zrcadlových podob téže molekuly vybírají jen jednu.

Potíž je v tom, že chiralitu dosud nešlo zvenčí přepínat. Elektrickou polarizaci ovládá elektrické pole, magnetizaci magnetické. U chirality žádný takový obecný protějšek neexistuje. „Na rozdíl od elektrické polarizace nebo magnetizace chiralitě chyběla obecná fyzikální páka pro vnější ovládání,“ říká v tiskové zprávě hamburského ústavu první autor práce Zhiyang Zeng (přeloženo z angličtiny).

Co s krystalem udělá napětí

Tým vyšel ze symetrie. Existují krystaly, které jako celek chirální nejsou, ale uvnitř každé základní buňky mají dvojice šroubovicových útvarů s opačnou stáčivostí. Levá a pravá se navzájem vyruší a navenek z toho vyjde nula. Autoři pro takové uspořádání používají označení antiferrochirální, obdobu antiferomagnetu, kde se stejným způsobem ruší opačné magnetické momenty.

Jednoosé napětí tu rovnováhu rozhodí. Deformace nepůsobí na obě poloviny stejně, takže jedna stáčivost převáží a buňka se jako celek stane chirální. Která vyhraje, se dá vybrat dvěma způsoby: změnou osy, podél které se na krystal tlačí, nebo přepnutím z tlaku na tah. U třídy, do které patří i měřený vzorek, má vazba tvar rozdílu deformací podél dvou os. Proto se znaménko obrátí, když se napětí přesune z jedné osy na kolmou.

Měření na sulfidu stříbra a gallia

Ověřovalo se to na AgGaS₂, komerčně dostupném monokrystalu o tloušťce 200 µm. Z jednoho kusu vyřízli proužky 2,5 × 0,5 mm podél dvou krystalových os, upnuli je do sériově vyráběné napínací cely Razorbill UC220T a měřili za běžných pokojových podmínek – žádné chlazení, žádné vakuum.

Sledovanou veličinou byla optická aktivita, tedy stáčení roviny polarizace procházejícího světla. Je to přímý projev geometrické chirality. Sonda byla infračervená, o vlnové délce 808 nm, a polarizaci otáčeli přes celých 360 stupňů. Bez toho by se výsledek nedal použít: napětí v krystalu vyvolá i dvojlom a ten by se do signálu přimíchal.

Číslo, které z měření vyšlo, je na takhle jemný jev překvapivě velké. Jednoosé napětí pouhých 0,02 % dá stáčivost řádově na úrovni desetiny α-křemene, tedy chirálního materiálu, který se v optice běžně používá. Napětí podél druhé osy znaménko obrátilo přesně tak, jak předpovídala symetrie.

Kde práce sama přiznává slabinu

Kontrolní měření udělali na fluoridu vápenatém. Ten je středově souměrný, takže piezochirální být nemůže a měl by vyjít na nule. Stejná tloušťka vzorku, stejná optika, stejná vlnová délka, tři nezávislá měření na různých místech povrchu. Přesto naměřili zbytkové stáčení vyvolané napětím – a jeho velikost i znaménko závisely na tom, kam na vzorek posvítili.

Autoři to připisují systematickým nejistotám aparatury: mírnému rozladění optiky, nerovnoměrnému napětí ve vzorku a nedokonalostem detekční optiky. Je to poctivě popsané v metodické části. Jak velké to zbytkové stáčení je proti signálu z měřeného vzorku, se dá porovnat v doplňkových datech práce; v samotném textu žádné číslo pro tuhle nejistotu není.

Druhá věc, kterou je potřeba číst přesně: experimentálně je jev doložený na jediném materiálu. Všechno ostatní stojí na teorii symetrie a na výpočtech z prvních principů.

Kolika krystalů se to může týkat

Krystalografie zná 32 bodových grup a autoři je probrali všechny. Jedenáct je středově souměrných, u těch jev vzniknout nemůže. Dalších jedenáct je chirálních samo od sebe. Nové jsou zbylé skupiny: u čtyř nechirálních grup vychází vazba mezi napětím a chiralitou lineárně – to je případ měřeného vzorku – a u šesti dalších až ve vyšších řádech. Ve druhé skupině jsou i materiály, které zná každý, kdo dělá s polovodiči: u selenidu gallitého se vazba objeví ve druhém řádu, u arsenidu gallitého až ve třetím.

Aby se ostatní nemuseli symetrií probírat sami, zveřejnili autoři databázi na adrese piezochiral.org. Hledá se v ní podle bodové grupy, prostorové grupy nebo chemického vzorce a u každé grupy ukáže, jestli vazbu připouští a v jakém tvaru. V době psaní tohoto článku uváděla 46 099 zaznamenaných piezochirálních materiálů.

Co z toho zatím neplyne

Tisková zpráva jmenuje spintroniku, asymetrickou katalýzu a chirální vlastnosti typu supravodivosti. Andrea Cavalleri, který výzkum v Hamburku vedl, u toho ale zůstává v podmiňovacím způsobu: říká, že jev může umožnit postupy, jak takové vlastnosti vytvářet. Ne že se to povedlo. Žádné zařízení v práci není a v článku v Nature se aplikace objevují výhradně jako výhled.

Doložené je tohle: existuje popsaná vazba mezi jednoosým napětím a chiralitou, dá se z ní odvodit, které krystaly ji připouštějí, a na jednom z nich se změřila. Michael Först k tomu v tiskové zprávě dodává, že „protože je deformace vratná, dá se vyvolaná chiralita opakovaně vytvářet, rušit a vybírat“ (přeloženo z angličtiny). To je proti dosavadnímu postupu, kdy se stáčivost napevno určí už při růstu krystalu nebo při syntéze, skutečný rozdíl.

Práce vyšla ve středu 29. července v Nature v otevřeném přístupu, takže si ji lze přečíst celou včetně zdrojových dat k obrázkům. Úplně čerstvý výsledek to ale není: text s prakticky totožným abstraktem leží na arXivu od 24. října 2025. Autoři jsou z Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter v Hamburku a z Oxfordské univerzity, financovala ji Německá výzkumná společnost.

Zdroje: The piezochiral effect v Nature, tisková zpráva hamburského ústavu, preprint na arXivu a databáze piezochiral.org.