Физики научились переворачивать молекулы со скоростью света

10 июля 2012 года

Американские физики научились при помощи коротких импульсов света переворачивать и "зеркально" отражать фрагменты метаматериала, повторяющего по своим свойствам длинные молекулы - данное свойство может быть использовано для создания высокоскоростных систем связи, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

В живой и неживой природе существует целый ряд молекул, пространственная структура которых не совпадает с устройством их зеркального отражения. К примеру, летучее вещество лимонен в одной пространственной конфигурации обладает запахом лимона, а в зеркальном отражении приобретает аромат апельсина. Данный феномен называется хиральностью, а обычная и зеркальная форма молекулы - энантиомерами. Как правило, химики и физики отличают их по оптическим свойствам молекулы - зеркальная и обычная формы пропускают свет по разному.

Группа физиков под руководством Антуанетты Тейлор (Antoinette Taylor) из Центра интегрированных нанотехнологий в Лос-Аламосе (США) проводила эксперименты с микроскопическими фрагментами метаматериала, повторявшими по своим свойствам длинные хиральные молекулы.

"Хиральность природных материалов можно тоже поменять, но этот процесс, который предполагает внесение структурных изменений в молекулы, обладает слабой силой и идет очень медленно. Наши искуственные молекулы позволили нам переключать их пространственную конфигурацию со скоростью света", - пояснил один из участников группы Сян Чжан (Xiang Zhang) из университета Калифорнии в Беркли.

Тейлор и ее коллеги разработала особый метаматериал из микроскопических пластинок золота и кремния, способный поглощать энергию света. Они изготовили из них небольшие конструкции - "молекулы", напоминающие по своей форме знак ">" (больше) или "<" (меньше). Данные структуры были прикреплены к пластине из сапфира и кремния.

Отдельные компоненты этих "знаков" обладали различными оптическими и электрическими свойствами. В частности, половина золотых пластинок пропускала свет с правой поляризацией, а другие фрагменты золота - с левой. Кусочки кремния играли роль переключателя - они поглощали свет управляющего лазера, превращали его в электричество и блокировали работу одной из групп пластинок, в зависимости от конструкции молекулы.

Благодаря этому молекула могла исполнять роль своеобразного оптического "выключателя" - при облучении лазером она меняла свои оптические свойства, то есть превращалась в "зеркальный" или обычный энантиомер. При прекращении облучения молекула возвращалась в исходную пространственную конфигурацию.

К примеру, в одном из состояний молекула пропускала поляризованное терагерцовое излучение, тогда как в другом она была непрозрачна для него. Как объясняют ученые, данное свойство может использоваться для создания высокоскоростных систем связи и для других целей - создания высокочувствительных медицинских приборов и систем безопасности в аэропортах.