Международный коллектив ученых предложил и реализовал новый экспериментальный подход к созданию хиральных фотонных суперкристаллов на основе спиральных гомоструктур Ван-дер-Ваальса. Работа опубликована в журнале Laser Photonics Review.
В последние десятилетия активно проводятся исследования по поиску хиральных структур, которые позволяют по-разному взаимодействовать с разными поляризациями света. Важной частью таких исследований является создание материалов, обладающих высокой хиральностью и имеющих благодаря этому интересные оптические свойства. Хиральность — это отсутствие симметрии между правым и левым, что означает невозможность совмещения объекта со своим зеркальным отражением.
Хиральность редко встречается в неорганических материалах и легко теряется в органических веществах. Обычно ее сложно создать искусственно. Создание хиральных оптических структур позволяет придавать свету хиральные свойства, чтобы использовать их в различных приложениях. Например, для того чтобы распознавать хиральные молекулы. В первую очередь это важно для создания новых лекарств, так как левозакрученные и правозакрученные молекулы, такие как сахара или аминокислоты, обладают различной биологической активностью.
Например, в 1960-е годы было популярно лекарственное средство талидомид, левовращающий вариант которого является сильным транквилизатором, а правовращающий обладает тератогенным действием (то есть способствует нарушению эмбрионального развития приводящего к возникновению врожденных уродств). В итоге, прежде чем лекарство отозвали, родилось около 12 тысяч детей с мутациями. Использование хиральных технологий могло бы предотвратить трагедию.
В современной фармакологической промышленности при производстве лекарств обращают большое внимание на оптическую чистоту вещества, которая заключается в том, что все его молекулы закручивают свет только в одну сторону.
Один из немногих способов различить правые и левые молекулы — посветить на них поляризованным светом. Но это взаимодействие имеет очень слабую асимметрию, поэтому следует усилить селективность взаимодействия по отношению к направлению поляризации. Для этого и нужны различные оптические элементы, которые заданным образом взаимодействуют с фотонами. Одной из таких структур является предложенный в новой работе ученых фотонный суперкристалл.
Гомоструктуры (слои из одинакового материала) Ван-дер-Ваальса, использованные учеными, состоят из множества слоев трисульфида мышьяка. Интересной особенностью этого материала является то, что один его слой не обладает хиральными свойствами, а несколько обладают.
Резонансные кривые отклика материала при прохождении через него лучей света разной поляризации. Источник: Laser Photonics Review
Принципиальная оптическая схема измерений в эксперименте. Свет проходит через поляризатор и компенсатор, становится поляризованным, а затем идет через слои трисульфида мышьяка. Источник: Laser Photonics Review
Для построения такой хиральной структуры исследователи использовали анизотропные ван-дер-ваальсовы материалы. Представьте себе молекулы, которые не связаны друг с другом сильными химическими связями, а скорее «прилипают» друг к другу за счет небольших взаимодействий в целом электрически нейтральных атомов. Эти слабые силы притяжения называют силами ван-дер-ваальса.
Оптические свойства материала ученые рассматривали, пропуская через него поляризованный свет. Кроме того, были проведены и теоретические расчеты.
Схема для численного моделирования прохождения света через многослойный материал. Источник: Laser Photonics Review
Каждый следующий слой материала повернут относительно предыдущего на один и тот же угол в одну и ту же сторону. Расчеты сделаны были как для конечного числа слоев, так и в модели с бесконечным числом слоев.
Экспериментально было исследовано множество различных направлений поляризации.
Зависимости коэффициента пропускания материала от длины волны проходящего через него света для лучей разных направлений поляризации. Источник: Laser Photonics Review
Эксперимент показал согласие с теоретическими расчетами и продемонстрировал, что многослойный материал сильно по-разному пропускает свет с разной поляризацией. На графиках, построенных учеными, можно видеть, что в зависимости от направления поляризации коэффициент пропускания материала может отличаться в несколько раз и более.
«Хиральность — одно из самых загадочных преобразований симметрии. Очень легко разрушаемая в биологических системах, она практически отсутствует в природных неорганических материалах, и ее очень сложно создать искусственно, — объясняет Денис Баранов, заведующий лабораторией передовой нанофотоники и квантовых материалов МФТИ. — Мы использовали технологию Ван-дер-Ваальса для сборки гомоструктур с хиральными свойствами. Подход был продемонстрирован путем создания спиральных гомоструктур на основе слоев трисульфида мышьяка, который предлагает наиболее выраженные хиральные свойства даже в тонких структурах из-за его сильной двуосной оптической анизотропии. Наша работа показала, что хиральность электромагнитной системы может возникнуть на промежуточном уровне между молекулярным и мезоскопическим из-за специально подобранного расположения нехиральных слоев кристаллов Ван-дер-Ваальса и без дополнительного структурирования».
Полученные результаты открывают путь к созданию новых хиральных систем, состоящих из ахиральных кристаллов. Это позволяет конструировать более совершенные оптические приборы, не используя для этого дополнительных наноструктур, что помогает также снизить стоимость их изготовления.
В работе принимали ученые из МФТИ, Института биохимической физики имени Н. М. Эммануэля РАН, а также их коллеги из Сингапура, Испании, ОАЭ и Армении.
