Fysikere udvikler et nyt koncept til påvisning af chirale molekyler

I modsætning til konventionelle spejle kan lys reflekteres på overflader kendt som metaoverflader uden at ændre dets polarisering. Dette fænomen er nu blevet bevist af fysikere ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) og Max Planck Institute for the Science of Light (MPL). Opdagelsen gør det muligt at bruge cirkulerende lys til pålideligt at detektere chirale molekyler.

Forskerne har offentliggjort deres undersøgelse i tidsskriftet Physical Review Letters .

Chirale molekyler forekommer hyppigt i naturen. Kendt som enantiomerer, er de spejlede tvillinger - ligesom højre og venstre hånd på mennesker. "Enantiomerer har normalt den samme funktion," siger Dr. Michael Reitz, som fik sin doktorgrad i 2023 i forskergruppen på MPL ledet af Dr. Claudiu Genes. "Men de kan have helt andre virkninger, især når de kommer i kontakt med andre chirale molekyler."

Dette kan have en alvorlig indvirkning, for eksempel inden for farmakologi. Mens en af ​​enantiomererne kan være kuren mod en bestemt sygdom, kan den anden være skadelig for kroppen.

Evnen til præcist at detektere og skelne chirale molekyler er derfor af særlig interesse, ikke kun i farmakologisk forskning. Lys er en ideel kandidat til forskning, da fotoner i sig selv også kan være chirale. "Det er muligt at generere lys som en spiral i en proptrækkerform," forklarer Nico Bassler, fælles ph.d.-kandidat for Claudiu Genes, leder af den uafhængige forskningsgruppe Cooperative Quantum Phenomena ved MPL og prof. Dr. Kai Phillip Schmidt, formand for Teoretisk Fysik V på FAU. "Afhængig af den retning, som spiralen drejer i, interagerer den enten med venstrehåndede eller med højrehåndede enantiomerer."

For at maksimere denne interaktion skal lysfeltet dog være rumligt begrænset, for eksempel ved at cirkulere det mellem to spejle. Problemet her er, at når lys reflekteres ved hjælp af et konventionelt spejl, ændrer det sin polarisering - spiralen roterer derefter i den modsatte retning og vil interagere med den "forkerte" enantiomer.

Dobbeltlag af atomer brugt som et spejl

Fysikerne på FAU og MPL løste dette problem med et nyt koncept:I stedet for at bruge konventionelle spejle bruger de noget kendt som metasurfaces bestående af dobbeltlag af atomer. "Vi kombinerer to enkeltlags stakke af atomer, der hver har elektriske dipolmomenter," forklarer Genes. "Dipolmomenter kan betragtes som ladningsretningen langs en akse."

Den afgørende faktor for funktionen af ​​metaoverflader er den ortogonale orientering af stakkene af atomer, det vil sige at sikre, at de er 90 grader i forhold til hinanden. "Dette trick fra kvantefysikken betyder, at fotonerne reflekteres, men stadig bevarer deres polarisering," forklarer prof. dr. Kai Phillip Schmidt.

Dette giver mulighed for en helt ny type chiral sensor:Mens den er indesluttet mellem to metaoverflader i et meget lille rum, kan cirkulerende lys registrere chirale molekyler pålideligt og med ekstrem høj følsomhed. Forskerne forventer, at deres opdagelse vil bidrage til at fremskynde udviklingsprocessen for materialer med relevante funktioner, især inden for biokemi og farmaci.

Flere oplysninger: Nico S. Baßler et al., Metasurface-Based Hybrid Optical Cavities for Chiral Sensing, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.043602

Leveret af Friedrich–Alexander University Erlangen–Nurnberg