Licht is de snelste manier om rechts- en linkshandige chirale moleculen te onderscheiden, die belangrijke toepassingen heeft in de chemie en biologie. Echter, gewoon licht voelt moleculaire handigheid slechts zwak aan. Onderzoekers van het Max Born Instituut voor niet-lineaire optica en korte pulsspectroscopie (MBI), het Israel Institute of Technology (Technion) en Technische Universitaet Berlin (TU Berlin) rapporteren nu een methode om synthetisch chiraal licht te genereren en te karakteriseren, die de handigheid van moleculen uitzonderlijk duidelijk identificeert. De resultaten van hun gezamenlijke werk zijn zojuist verschenen in Natuurfotonica .

Zoals linker- en rechterhand, sommige moleculen in de natuur hebben een spiegeltweeling. Echter, terwijl deze tweelingmoleculen er misschien hetzelfde uitzien, sommige van hun eigenschappen kunnen heel verschillend zijn. Bijvoorbeeld, de handigheid - of chiraliteit - van moleculen speelt een essentiële rol in de chemie, biologie, en medicijnontwikkeling. Terwijl één type molecuul een ziekte kan genezen, zijn spiegeltweeling - of enantiomeer - kan giftig of zelfs dodelijk zijn.

Het is buitengewoon moeilijk om tegenovergestelde chirale moleculen van elkaar te onderscheiden, omdat ze er identiek uitzien en zich identiek gedragen, tenzij ze interageren met een ander chiraal object. Licht wordt al lang gebruikt om chiraliteit te detecteren - oscillaties van het elektromagnetische veld trekken een chirale helix in de ruimte langs de voortplantingsrichting van het licht. Afhankelijk van of de helix met de klok mee of tegen de klok in draait, de lichtgolf is rechts- of linkshandig. Echter, de helix-pitch, ingesteld door de lichtgolflengte, is ongeveer 1000 keer groter dan de grootte van een molecuul. Dus de lichte helix is ​​een gigantische cirkel vergeleken met de kleine moleculen, die nauwelijks reageren op zijn chiraliteit.

Een innovatieve manier om dit probleem te omzeilen, voorgesteld door MBI, Technion en TU Berlijn wetenschappers, is het synthetiseren van een nieuw type chiraal licht dat op elk punt in de ruimte een chirale structuur in de tijd tekent. "De handigheid van dit nieuwe licht kan zo worden afgestemd dat één enantiomeer er actief mee in wisselwerking staat en als reactie daarop helder licht uitstraalt, terwijl de tegenovergestelde enantiomeer er helemaal geen interactie mee zal hebben, " legt Dr. David Ayuso uit, MBI-onderzoeker en de eerste auteur van het artikel.

De wetenschappers beschreven dit nieuwe chirale licht wiskundig en testten hun model door te simuleren hoe het interageert met chirale moleculen. Verder, ze lieten zien hoe je zo'n licht kunt creëren in een lab, het samensmelten van twee convergerende laserstralen die lichtgolven van twee verschillende frequenties dragen. Door de faseverschuiving tussen de verschillende frequenties af te stemmen, wetenschappers kunnen de handigheid van dit synthetische chirale licht beheersen en zo het type molecuul selecteren waarmee het sterk zal interageren.

"Synthetisch chiraal licht wordt beschreven door volledig nieuwe intrinsieke symmetrie-eigenschappen voor elektromagnetische velden, wat erg spannend is, " zegt Ofer Neufeld, een doctoraat student bij de afdeling Natuurkunde van Technion, tweede (gelijke bijdrage) auteur van het artikel.

De onderzoekers voorzien allerlei mogelijke toepassingen van de nieuwe methode in de chemie en biologie. Bijvoorbeeld, synthetisch chiraal licht zou onderzoekers in staat kunnen stellen chirale chemische reacties in realtime te volgen of de omschakeling in de handigheid van de moleculen te detecteren. "We hopen ook deze nieuwe benadering te gebruiken om moleculen ruimtelijk te scheiden met de tegenovergestelde handigheid met behulp van ultrasnelle lasers, " zegt Prof. Dr. Olga Smirnova, professor aan de TU Berlijn en hoofd van een MBI-theoriegroep.