Polariserade ljusvågor snurrar medurs eller moturs när de färdas, med en riktning som beter sig annorlunda än den andra när den interagerar med molekyler. Denna riktning, kallad kiralitet eller handenhet, kan ge ett sätt att identifiera och sortera specifika molekyler för användning i biomedicinska tillämpningar, men forskare har haft begränsad kontroll över vågornas riktning – fram till nu.
Med hjälp av metamaterial skapade ett team av elektroteknikforskare från Penn State och University of Nebraska-Lincoln (UNL) ett ultratunt optiskt element som kan styra riktningen för polariserade elektromagnetiska ljusvågor. Denna nya kontroll gör det möjligt för forskare att inte bara styra ljusets kiralitet, utan också att identifiera molekylernas kiralitet genom att bestämma hur polariserat ljus interagerar med dem.
Att identifiera molekylernas kiralitet kan avslöja viktig information om hur de kommer att interagera med andra system, till exempel om specifika läkemedel kommer att hjälpa till att läka sjuk eller skadad vävnad utan att skada friska celler. Forskarna har publicerat sina resultat i Nature Communications .
Chiralitet hänvisar till spegelbilder, som att vänster och höger händer går med i ett handslag, förklarade Christos Argyropoulos, docent i elektroteknik vid Penn State och medförfattare på tidningen. Inom fysiken, bland annat ansvar, påverkar kiralitet riktningen som ljusvågor snurrar.
Argyropoulos och hans kollegor tillverkade ett optiskt element, som liknar en glasskiva, som använder en skog av små, antennliknande nanorods som tillsammans skapar ett metamaterial - eller material konstruerat för att ha specifika egenskaper som inte vanligtvis finns i naturen - som kan kontrollera spinnet av ljus. Metamaterialets nanorods verkar vara formade som bokstaven "L" när de ses på nanoskala.
"När ljus-materia-interaktionen förmedlas av metamaterialen, kan du avbilda en molekyl och identifiera dess kiralitet genom att inspektera hur kiralt ljus interagerar med det," sa Argyropoulos.
Forskare vid UNL använde en framväxande tillverkningsmetod som kallas blickvinkelavsättning för att tillverka det optiska elementet av kisel.
"Kisel försvinner inte avsevärt det infallande ljuset som var problematiskt med metall, som vi använde i tidigare försök att skapa elementet", säger Ufuk Kilic, forskningsprofessor vid UNL och medförfattare på tidningen. "Och kisel gjorde det möjligt för oss att justera formen och längden på nanopelarna på plattformen, vilket i sin tur gör att vi kan ändra hur vi styr ljuset."
Att identifiera kiraliteten hos molekyler kan ha omfattande effekter inom biomedicin, särskilt i farmaceutiska läkemedel, som ibland har höger- eller vänsterhänt kiralitet, förklarade Argyropoulos. Medan en högerhänt molekylstruktur kan vara effektiv vid behandling av sjukdom, kan samma molekyl med en vänsterhänt struktur vara giftig för friska celler.
Argyropoulos nämnde det klassiska exemplet med talidomid, ett läkemedel med en kiral struktur som ordinerades till kvinnor för att behandla illamående på morgonen mellan 1957 och 1962. Den högerhänta molekylen kunde mildra illamående men var mycket giftig för att utveckla foster och orsakade fosterskador för tusentals spädbarn runt om i världen.
Det optiska elementet, sa Argyropoulos, kan snabbt avbilda den molekylära strukturen hos läkemedel, vilket gör det möjligt för forskare att bättre förstå nyanserna av drogbeteende.
Dessutom kan det optiska elementet användas för att skapa höger- eller vänsterhänta elektromagnetiska vågor, sa Argyropoulos, som är nödvändiga för utveckling och underhåll av klassiska och kvantkommunikationssystem, som krypterad Wi-Fi och mobiltelefontjänst.
"Tidigare, för optiska kommunikationssystem, behövde du stora, skrymmande enheter som bara fungerade på en frekvens," sa Argyropoulos. "Detta nya optiska element är lätt och lätt att ställa in på flera frekvenser."
Mer information: Ufuk Kilic et al, Kontroll av bredbandsförbättrad ljuskiralitet med L-formade dielektriska metamaterial, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48051-4
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Pennsylvania State University
