物理学家开发出能够使循环光可靠地检测手性分子

手性分子在自然界中经常出现。它们被称为对映异构体，是镜像双胞胎，就像人类的右手和左手一样。“对映异构体通常具有相同的功能，”Michael Reitz 博士说，他于 2023 年在 Claudiu Genes 博士领导的 MPL 研究小组获得博士学位。“然而，它们可以产生完全不同的效果，特别是当它们与其他手性分子接触时。 这可能会产生严重影响，例如在药理学中。虽然其中一种对映异构体可以治愈某种疾病，但另一种可能对身体有害。

因此，精确检测和区分手性分子的能力不仅在药理学研究中特别令人感兴趣。光是研究的理想候选者，因为光子本身也可以是手性的。“有可能以螺旋形产生光，”Claudiu Genes的联合博士生Nico Bassler解释道，他是MPL独立研究小组合作量子现象的负责人，也是FAU理论物理V主席Kai Phillip Schmidt教授。“根据螺旋转动的方向，它与左旋或右旋对映异构体相互作用。

然而，为了最大限度地提高这种相互作用，光场必须在空间上受到限制，例如在两个镜子之间循环。这里的问题是，当使用传统镜子反射光时，它会改变其偏振——然后螺旋向相反方向旋转，并与“错误”的对映异构体相互作用。

FAU和MPL的物理学家用一个新概念解决了这个问题：他们不使用传统的镜子，而是使用由双层原子组成的超表面。“我们将两个单层原子堆叠在一起，每个原子都具有电偶极矩，”Genes解释道。“偶极矩可以看作是沿轴的电荷方向。” 超表面功能的决定性因素是原子堆的正交方向，即确保它们彼此成 90 度角。

“量子物理学领域的这一技巧意味着光子被反射，但仍保持其偏振，”Kai Phillip Schmidt教授解释说。 这为一种全新的手性传感器提供了一种全新的类型：当循环光被封闭在非常小的空间内的两个超表面之间时，它可以可靠地检测手性分子，并具有极高的灵敏度。研究人员预计，他们的发现将有助于加快具有相关功能的材料的开发过程，特别是在生物化学和制药领域。