Международный коллектив учёных совершил значительный прорыв в области фотоники, создав принципиально новую структуру света — «хиральный вихрь». Это достижение открывает новые горизонты в понимании тонких механизмов взаимодействия световых волн с веществом. Ключевое практическое применение технологии — высокоточное определение хиральности молекул, что является критически важным этапом в разработке новых фармацевтических препаратов и создании инновационных оптических устройств.
Уникальность хирального вихря заключается в его избирательном взаимодействии с хиральными молекулами. Такие молекулы, подобно левой и правой перчатке, существуют в двух зеркальных формах (энантиомерах), обладающих разными биологическими свойствами. Новая световая структура генерируется путём когерентного сложения двух световых пучков с противоположной круговой поляризацией. В результате формируется сложная киральная кривая, чья пространственная конфигурация изменяется по мере распространения. Электрическое поле такого света со временем описывает винтовую траекторию, создавая стабильные вихревые структуры, которые с высокой точностью «чувствуют» и взаимодействуют с киральными наночастицами.
Последствия этого открытия носят фундаментальный характер. Повышение точности измерения хиральности может революционизировать процесс разработки лекарств, где даже незначительный дисбаланс энантиомеров может определять эффективность и безопасность препарата. «Традиционные методы измерения киральности часто неспособны детектировать небольшое преобладание одного из зеркальных изомеров в почти равных смесях. Наш подход позволяет уловить даже минимальный перевес, который может кардинально влиять на биологические процессы», — пояснила доктор Никола Мейер, постдокторант Института Макса Борна. Исследование, проведённое совместно с учёными из Королевского колледжа Лондона, Имперского колледжа Лондона и Университета Триеста, было опубликовано в авторитетном журнале Nature Photonics.
Перспективы применения в оптике и биомедицине
Сфера потенциального использования хиральных вихрей чрезвычайно широка: от оптических пинцетов для манипуляции отдельными нанообъектами до управления свойствами материалов на молекулярном уровне. Например, вихревые лучи со спиральным волновым фронтом способны индуцировать хиральность в веществах, передавая «закрученность» света материи — это открывает путь к прямой лазерной записи хиральных наноструктур с помощью фемтосекундных импульсов.
В медицинской диагностике новая технология обещает стать основой для быстрых и неинвазивных методов обнаружения хиральных биомаркеров, обходя ограничения традиционной химической аналитики. Это стало возможным благодаря использованию глобальных топологических свойств вихревого света и исключительной чувствительности синтетического кирального поля.
Обратите внимание: Почему этот год будет прорывным для российской науки?.
Инновация метода заключается в переносе акцента с пространственной структуры света на его временную эволюцию. Хиральность кодируется в динамике лазерного цикла, формируя трёхмерную киральную кривую во времени. Это позволяет генерировать сверхбыстрые нелинейные оптические отклики, которые обладают энантиомерной чувствительностью — то есть способны различать зеркальные молекулы с беспрецедентной точностью.Принцип работы и фундаментальные преимущества
Технология преодолевает ключевое ограничение классических оптических методов, где размер светового пятна значительно превышает размеры отдельной молекулы. Используя вихревой луч как основу для создания синтетического хирального источника, исследователи научились детектировать тончайшие различия между «левыми» и «правыми» молекулами даже в сильно разбавленных растворах. Это открывает перспективы не только для химии и биологии, но и для квантовых технологий, где хиральность может служить основой для кодирования информации в кубитах.
Визуализация идентификации левых и правых молекул с помощью хирального вихревого света. Незначительное изменение соотношения энантиомеров вызывает поворот световой картины на 30 градусов. «Анализируя вращательные паттерны света, переизлучённого молекулами, мы можем гораздо легче обнаруживать и интерпретировать слабые хиральные сигналы в разбавленных образцах. Более того, благодаря вращательным свойствам нашего лазерного луча, результирующий сигнал устойчив к типичным лабораторным погрешностям, таким как флуктуации интенсивности света, что делает методику более доступной для широкого круга исследователей», — отметили представители Института Макса Борна. В долгосрочной перспективе эта технология может способствовать увеличению вычислительной мощности квантовых компьютеров, позволяя хранить больший объём данных в одном кубите.
Технологические вызовы и ближайшие шаги
Несмотря на огромный потенциал, путь к коммерциализации технологии сопряжён с серьёзными инженерными вызовами. Создание компактных, надёжных и масштабируемых источников света, способных генерировать хиральные вихри в промышленных объёмах, потребует новых технологических решений. Тем не менее, первые результаты вселяют уверенность.
Важным достижением уже стала устойчивость сигналов к механическим вибрациям и другим артефактам, типичным для лабораторных экспериментов по хиральности. Это позволяет избежать ошибок, связанных с нестабильностью оптической системы. Сейчас научная группа сосредоточена на дальнейшем изучении фундаментальных свойств хиральных вихрей и поиске новых практических приложений.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.