Международная исследовательская группа создала новую структуру для света, названную «хиральным вихрем», что знаменует собой прорыв в нашем понимании взаимодействия света и материи. В частности, эта структура позволяет легче и точнее определять хиральность молекул, что является фундаментальным аспектом при разработке лекарств и передовых оптических технологий.
Отличительной особенностью хирального вихря является его способность взаимодействовать с хиральными молекулами, то есть молекулами, существующими в двух вариантах (лево- или правостороннем), каждый из которых является зеркальным отражением другого. Эта новая форма света создается путем объединения двух пучков света с противоположными круговыми поляризациями, создавая хиральную кривую, которая меняет форму в зависимости от своего положения в пространстве. Электрическое поле этой формы света прослеживает хиральную кривую во времени, формируя вихревую структуру, которая взаимодействует с хиральными частицами точным и стабильным образом.
Последствия этого открытия весьма обширны. Позволяя более точно определять хиральность молекул, хиральный вихрь может улучшить процессы разработки лекарств, где хиральность играет важную роль. «Традиционные измерения хиральности затрудняют определение концентрации право- и левовращающих молекул в образцах, содержащих почти равное количество тех и других. С помощью нашего нового метода можно обнаружить крошечное превышение концентрации одного из зеркальных близнецов, которого может быть достаточно, чтобы изменить ход всей жизни», — говорит доктор Никола Майер, постдокторский исследователь из Института Макса Борна, в пресс-релизе университета. Работа, описанная в журнале Nature Photonics, была проведена командой из Института Макса Борна в сотрудничестве с Королевским колледжем Лондона, Имперским колледжем Лондона и Университетом Триеста (Италия).
Применение в оптике и медицине
Хиральный вихрь может быть использован в различных оптических приложениях, от оптического пинцета до манипулирования наноструктурами. Например, циркулярно поляризованные вихревые лучи могут закручивать материалы на молекулярном уровне, формируя хиральные наноструктуры, перенося «спиральность» света на материю, в частности, путем «прямой записи» с помощью фемтосекундного лазера.
Кроме того, эта новая форма света позволяет обнаруживать хиральные биомаркеры быстрее и менее инвазивно, чем традиционные химические методы. Это связано с тем, что концепция хирального топологического света использует глобальные свойства вихревого света и высокую чувствительность синтетического хирального света. Другими словами, вместо того чтобы фокусироваться на структуре света в пространстве, этот метод кодирует хиральность света во времени, создавая трехмерную хиральную кривую во время лазерного цикла. Это позволяет получать сверхбыстрые, нелинейные оптические сигналы, которые являются «энантиочувствительными», то есть чувствительными к хиральным молекулам, с непревзойденной точностью.
Понимание хирального вихря
Этот новый метод позволяет преодолеть основное ограничение традиционных оптических пучков, пространственный масштаб которых намного больше, чем у хиральных молекул. Создав синтетический источник хирального света с вихревыми пучками, исследователи теперь могут обнаружить тонкие различия между так называемыми «правосторонними» и «левосторонними» молекулами даже в разбавленных смесях. Это открывает путь к применению в химии, биологии и даже квантовых вычислениях, где хиральность может быть использована для кодирования информации в квантовых битах.
Идентификация лево- и правосторонних молекул с помощью хирального вихревого света. Небольшие изменения в соотношении лево- и правосторонних молекул приводят к повороту светового рисунка на 30 градусов.
«Сосредоточившись на обнаружении вращающейся картины света, излучаемого молекулами, гораздо проще обнаружить и интерпретировать незначительные различия в хиральности разбавленных образцов. Кроме того, благодаря вращающемуся характеру лазерного луча, который мы разработали, получаемые сигналы устойчивы к таким распространенным «подводным камням» лабораторных экспериментов с хиральностью, как колебания интенсивности света, что позволяет большему числу людей заниматься этой работой», — говорит профессор Ольга Смирнова из Института Макса Борна. Более того, эта технология может в один прекрасный день повысить вычислительную мощность квантовых компьютеров за счет увеличения объема данных, которые могут переносить отдельные «квантовые биты».
На пути к рынку? Не совсем…
Несмотря на перспективность, эта технология также сопряжена с серьезными проблемами. Производство источников света, способных создавать хиральные вихри в коммерческих масштабах, потребует технологических достижений, которые в настоящее время недостижимы. Однако первые шаги, предпринятые исследовательскими группами, весьма обнадеживают.
В частности, устойчивость получаемых сигналов к колебаниям, характерным для лабораторных экспериментов с хиральностью, позволяет избежать ошибок, связанных с изменением интенсивности света в их системе, что уже является очень хорошим началом. Теперь исследователи планируют продолжить изучение возможностей применения технологии.
