I motsats till konventionella speglar kan ljus reflekteras på ytor som kallas metasytor utan att ändra dess polarisering. Detta fenomen har nu bevisats av fysiker vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) och Max Planck Institute for the Science of Light (MPL). Upptäckten gör det möjligt att använda cirkulerande ljus för att tillförlitligt detektera kirala molekyler.
Forskarna har publicerat sin studie i tidskriften Physical Review Letters .
Kirala molekyler förekommer ofta i naturen. Kända som enantiomerer är de spegeltvillingar - som människors högra och vänstra händer. "Enantiomerer har vanligtvis samma funktion", säger Dr Michael Reitz, som tog sin doktorsexamen 2023 i forskargruppen vid MPL som leds av Dr Claudiu Genes. "Men de kan ha helt andra effekter, särskilt när de kommer i kontakt med andra kirala molekyler."
Detta kan få allvarliga konsekvenser, till exempel inom farmakologi. Medan en av enantiomererna kan bota en viss sjukdom, kan den andra vara skadlig för kroppen.
Förmågan att exakt detektera och särskilja kirala molekyler är därför av särskilt intresse, inte bara inom farmakologisk forskning. Ljus är en idealisk kandidat för forskning eftersom fotoner i sig också kan vara kirala. "Det är möjligt att generera ljus som en spiral i form av en korkskruv", förklarar Nico Bassler, gemensam doktorand för Claudiu Genes, chef för den oberoende forskargruppen Cooperative Quantum Phenomena vid MPL och prof. Dr. Kai Phillip Schmidt, ordförande för Teoretisk Fysik V vid FAU. "Beroende på i vilken riktning spiralen svänger interagerar den antingen med vänsterhänta eller med högerhänta enantiomerer."
För att maximera denna interaktion måste dock ljusfältet begränsas spatialt, till exempel genom att det cirkulerar mellan två speglar. Problemet här är att när ljus reflekteras med en konventionell spegel, ändrar det sin polarisering – spiralen roterar sedan i motsatt riktning och skulle interagera med "fel" enantiomer.
Fysikerna vid FAU och MPL löste detta problem med ett nytt koncept:Istället för att använda konventionella speglar använder de något som kallas metasytor som består av dubbla lager av atomer. "Vi kombinerar två enskiktsstaplar av atomer som var och en har elektriska dipolmoment", förklarar Genes. "Dipolmoment kan betraktas som laddningsriktningen längs en axel."
Den avgörande faktorn för metasytors funktion är den ortogonala orienteringen av staplarna av atomer, det vill säga att se till att de är 90 grader mot varandra. "Det här tricket från kvantfysikområdet innebär att fotonerna reflekteras, men ändå bibehåller sin polarisering", förklarar Prof. Dr. Kai Phillip Schmidt.
Detta möjliggör en helt ny typ av kiral sensor:Medan det är inneslutet mellan två metasytor i ett mycket litet utrymme, kan cirkulerande ljus detektera kirala molekyler på ett tillförlitligt sätt och med extremt hög känslighet. Forskarna förväntar sig att deras upptäckt kommer att bidra till att påskynda utvecklingsprocessen för material med relevanta funktioner, särskilt inom biokemi och farmaci.
Mer information: Nico S. Baßler et al, Metasurface-Based Hybrid Optical Cavities for Chiral Sensing, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.043602
Tillhandahålls av Friedrich–Alexander University Erlangen–Nurnberg
