A differenza degli specchi convenzionali, la luce può essere riflessa su superfici chiamate metasuperfici senza modificarne la polarizzazione. Questo fenomeno è stato ora dimostrato dai fisici della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) e dell'Istituto Max Planck per la scienza della luce (MPL). La scoperta consente di utilizzare la luce circolante per rilevare in modo affidabile molecole chirali.
I ricercatori hanno pubblicato il loro studio sulla rivista Physical Review Letters .
Le molecole chirali si trovano frequentemente in natura. Conosciuti come enantiomeri, sono gemelli specchiati, come la mano destra e quella sinistra degli esseri umani. "Gli enantiomeri di solito hanno la stessa funzione", afferma il dottor Michael Reitz, che ha conseguito il dottorato nel 2023 nel gruppo di ricerca dell'MPL guidato dal dottor Claudiu Genes. "Tuttavia possono avere effetti completamente diversi, soprattutto quando entrano in contatto con altre molecole chirali."
Ciò può avere un impatto serio, ad esempio in farmacologia. Mentre uno degli enantiomeri potrebbe fornire la cura per una determinata malattia, l'altro potrebbe essere dannoso per l'organismo.
La capacità di rilevare e distinguere con precisione le molecole chirali è quindi di particolare interesse, non solo nella ricerca farmacologica. La luce è un candidato ideale per la ricerca poiché anche i fotoni stessi possono essere chirali. "È possibile generare la luce come una spirale a forma di cavatappi", spiega Nico Bassler, candidato al dottorato congiunto di Claudiu Genes, capo del gruppo di ricerca indipendente Cooperative Quantum Phenomena presso MPL e il Prof. Dr. Kai Phillip Schmidt, Cattedra di Teoria Fisica V alla FAU. "A seconda della direzione in cui gira la spirale, interagisce con enantiomeri levogiri o destrimani."
Per massimizzare questa interazione, però, il campo luminoso deve essere confinato spazialmente, ad esempio facendolo circolare tra due specchi. Il problema qui è che quando la luce viene riflessa utilizzando uno specchio convenzionale, cambia la sua polarizzazione:la spirale quindi ruota nella direzione opposta e interagirebbe con l'enantiomero "sbagliato".
I fisici della FAU e della MPL hanno risolto questo problema con un concetto nuovo:invece di usare specchi convenzionali, usano qualcosa noto come metasuperfici composto da doppi strati di atomi. "Combiniamo due pile di atomi a strato singolo che possiedono ciascuno momenti di dipolo elettrico", spiega Genes. "I momenti di dipolo possono essere considerati come la direzione della carica lungo un asse."
Il fattore decisivo per la funzione delle metasuperfici è l'orientamento ortogonale degli ammassi di atomi, cioè garantire che siano a 90 gradi l'uno rispetto all'altro. "Questo trucco dal campo della fisica quantistica significa che i fotoni vengono riflessi, ma mantengono comunque la loro polarizzazione", spiega il Prof. Dr. Kai Phillip Schmidt.
Ciò consente un tipo completamente nuovo di sensore chirale:mentre è racchiusa tra due metasuperfici in uno spazio molto piccolo, la luce circolante può rilevare le molecole chirali in modo affidabile e con una sensibilità estremamente elevata. I ricercatori si aspettano che la loro scoperta contribuisca ad accelerare il processo di sviluppo di materiali con funzioni rilevanti, in particolare nei campi della biochimica e della farmacia.
Ulteriori informazioni: Nico S. Baßler et al, Cavità ottiche ibride basate sulla metasuperficie per il rilevamento chirale, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.043602
Fornito dall'Università Friedrich–Alexander Erlangen–Nurnberg
