In tegenstelling tot conventionele spiegels kan licht worden gereflecteerd op oppervlakken die bekend staan ​​als metasurfaces zonder de polarisatie ervan te veranderen. Dit fenomeen is nu bewezen door natuurkundigen van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) en het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht (MPL). Dankzij deze ontdekking kan circulerend licht worden gebruikt om op betrouwbare wijze chirale moleculen te detecteren.

De onderzoekers hebben hun onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

Chirale moleculen komen veelvuldig voor in de natuur. Ze staan ​​bekend als enantiomeren en zijn een gespiegelde tweeling, zoals de rechter- en linkerhand van mensen. “Enantiomeren hebben doorgaans dezelfde functie”, zegt dr. Michael Reitz, die in 2023 promoveerde in de onderzoeksgroep bij MPL onder leiding van dr. Claudiu Genes. "Ze kunnen echter totaal verschillende effecten hebben, vooral als ze in contact komen met andere chirale moleculen."

Dit kan ernstige gevolgen hebben, bijvoorbeeld in de farmacologie. Terwijl één van de enantiomeren de remedie kan zijn voor een bepaalde ziekte, kan de andere schadelijk zijn voor het lichaam.

Het vermogen om chirale moleculen nauwkeurig te detecteren en te onderscheiden is dus van bijzonder belang, niet alleen in farmacologisch onderzoek. Licht is een ideale kandidaat voor onderzoek, omdat fotonen zelf ook chiraal kunnen zijn. "Het is mogelijk om licht te genereren als een spiraal in de vorm van een kurkentrekker", legt Nico Bassler uit, medepromovendus van Claudiu Genes, hoofd van de onafhankelijke onderzoeksgroep Cooperative Quantum Phenomena bij MPL en prof. dr. Kai Phillip Schmidt, voorzitter van Theoretical Natuurkunde V bij FAU. "Afhankelijk van de richting waarin de spiraal draait, interageert deze met linkshandige of met rechtshandige enantiomeren."

Om deze interactie te maximaliseren moet het lichtveld echter ruimtelijk worden begrensd, bijvoorbeeld door het tussen twee spiegels te laten circuleren. Het probleem hier is dat wanneer licht wordt gereflecteerd met een conventionele spiegel, de polarisatie verandert. De spiraal draait dan in de tegenovergestelde richting en zou een interactie aangaan met de 'verkeerde' enantiomeer.

Dubbele lagen atomen gebruikt als spiegel

De natuurkundigen van FAU en MPL hebben dit probleem opgelost met een nieuw concept:in plaats van conventionele spiegels te gebruiken, gebruiken ze iets dat bekend staat als metasurfaces, bestaande uit dubbele lagen atomen. "We combineren twee enkellaagse stapels atomen die elk elektrische dipoolmomenten bezitten", legt Genes uit. "Dipoolmomenten kunnen worden beschouwd als de ladingsrichting langs een as."

De beslissende factor voor de functie van metasurfaces is de orthogonale oriëntatie van de stapels atomen, dat wil zeggen ervoor zorgen dat ze 90 graden ten opzichte van elkaar staan. "Deze truc uit de kwantumfysica zorgt ervoor dat de fotonen worden gereflecteerd, maar toch hun polarisatie behouden", legt prof. dr. Kai Phillip Schmidt uit.

Dit maakt een compleet nieuw type chirale sensor mogelijk:hoewel het ingesloten is tussen twee metasurfaces in een zeer kleine ruimte, kan circulerend licht chirale moleculen betrouwbaar en met extreem hoge gevoeligheid detecteren. De onderzoekers verwachten dat hun ontdekking het ontwikkelingsproces van materialen met relevante functies zal helpen versnellen, vooral op het gebied van de biochemie en de farmacie.

Meer informatie: Nico S. Baßler et al, Op metasurface gebaseerde hybride optische holtes voor chirale detectie, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.043602

Aangeboden door Friedrich–Alexander Universiteit Erlangen–Neurnberg