Ученые из МФТИ и Курчатовского института теоретически предсказали существование новых типов хиральных эффектов, возникающих при взаимодействии света с веществом. Им удалось показать, что если в процессе фотоэффекта выбивать из молекул закрученные фотоэлектроны, то это позволяет наблюдать ранее недоступные проявления асимметрии, или хиральности. Результаты исследования опубликованы в журнале Physics Letters A.
Наш мир полон асимметрии. Подобно тому как левая и правая руки являются зеркальными отражениями друг друга, но не могут быть совмещены в пространстве, многие молекулы в природе существуют в двух «зеркальных» формах, называемых энантиомерами. Это свойство, известное как хиральность, играет ключевую роль в биологии и химии. Например, аминокислоты, из которых состоят белки в живых организмах, существуют почти исключительно в «левой» форме, а сахара — в «правой». В фармацевтике хиральность определяет эффективность и безопасность лекарств: часто один энантиомер является активным веществом, в то время как его зеркальный двойник может быть бесполезен или даже токсичен. Поэтому умение различать энантиомеры и измерять их концентрацию — одна из важнейших задач современной науки.
Одним из самых мощных инструментов для изучения хиральности является фотоэлектронный круговой дихроизм. Суть метода заключается в том, что на образец хиральных молекул направляют циркулярно поляризованный свет, который сам по себе обладает хиральностью — его можно представить как вращающийся по или против часовой стрелки. Этот поляризованный свет с определенной хиральностью выбивает из молекул электроны, и, как оказалось, распределения по направлениям их разлета зависит от того, совпадают ли «руки» молекулы и света. Регистрируя эту асимметрию, ученые могут с высокой точностью определять хиральность молекул. Однако у описанного метода есть фундаментальное ограничение: для наблюдения эффекта необходимо, чтобы и свет, и молекула — были хиральными.
В своей новой работе физики задались вопросом: что произойдет, если в этом взаимодействии появится третий хиральный участник — сам вылетающий электрон? В стандартном фотоэффекте электрон рассматривается как квантовая частица, описываемая в виде плоской волны. Однако современная физика позволяет создавать и детектировать так называемые закрученные электроны. Такой электрон не просто летит вперед, но и вращается вокруг своей оси движения, подобно крошечному торнадо, и несет в себе орбитальный угловой момент. Это вращение также может быть «правым» или «левым», что наделяет сам электрон свойством хиральности.
Ученые разработали общую теорию фотоэффекта, в котором детектируются именно такие вихревые электроны. Они проанализировали процесс, в котором участвуют три объекта, каждый из которых может быть хиральным или ахиральным (симметричным): фотон, молекула-мишень и выбитый электрон. Расчеты показали, что для наблюдения хиральной асимметрии, как и прежде, необходимо участие как минимум двух хиральных объектов, но теперь их комбинации стали гораздо богаче. Это привело к предсказанию нескольких новых, ранее не рассматривавшихся эффектов, которые выживают даже при усреднении по хаотической ориентации молекул в газе, что крайне важно для эксперимента.
«Мы привыкли думать о хиральности как о свойстве молекул или света, — говорит Кирилл Базаров, младший научный сотрудник МФТИ, ассистент кафедры теоретической физики им. Л.Д. Ландау МФТИ. — Мы показали, что сам электрон может выступать в роли хирального зонда. Наша теория предсказывает, что можно, например, использовать обычный линейно-поляризованный свет для различения энантиомеров, если детектировать вихревые электроны».
В работе был предсказан новый тип асимметрии, который проявляется даже при ионизации ахиральных молекул. Если облучать симметричную молекулу хиральным светом, то число выбитых вихревых электронов, закрученных «вправо», не будет равно числу электронов, закрученных «влево». Таким образом, хиральность света можно измерить, анализируя хиральность рожденных им электронов.
Кроме того, оказалось, что теория предсказывает возможность различать энантиомеры с помощью ахирального света. Обычный, линейно поляризованный свет, не обладающий собственной хиральностью, при взаимодействии с хиральной молекулой будет порождать асимметричное количество «правых» и «левых» вихревых электронов. Это означает, что для анализа хиральных молекул больше не требуется сложный источник циркулярно поляризованного света — достаточно стандартного лазера и детектора, способного различать вихревые электроны.
Рисунок 1. Усредненное сечение фотоэффекта и распределение выбитых электронов по степени их закрученности. На графиках показаны ключевые характеристики фотоэффекта в зависимости от импульса выбитого электрона q (мера его кинетической энергии) для двух модельных молекул: симметричного н-бутана (левая колонка) и хирального 2-бутанола (правая). Верхние панели показывают полное сечение процесса — общую вероятность выбивания электрона светом. Видно, что для обеих молекул существует оптимальная энергия, при которой фотоэффект происходит наиболее интенсивно. Нижние панели раскрывают структуру электронного потока. Здесь показаны доли P|m| электронов с различной степенью закрученности, где m — квантовое число, характеризующее проекцию орбитального углового момента электрона на ось вихря. Случай m=0 (красная линия) соответствует ахиральным, невихревым электронам, а m=1, 2, 3, 4 (другие цвета) — хиральным вихревым электронам с нарастающей степенью закрученности. Видно, что при низких энергиях преобладают электроны без момента импульса. Однако с ростом энергии их доля падает, и начинают эффективно генерироваться вихревые электроны с m=1 (синяя линия), m=2 (зеленая) и так далее. Графики показывают, что при определенных энергиях фотоэффект преимущественно создает именно хиральные вихревые электроны. Источник: Physics Letters A.
Рисунок 2. На графиках показаны коэффициенты b, описывающие асимметрию в угловом распределении фотоэлектронов, в зависимости от параметра закрученного фотоэлектрона θq (аркатангенс отношения компонент импульса электрона). Синие линии соответствуют расчетам для ахиральной молекулы («н-бутан»), красные — для хиральной («2-бутанол»). Сплошные и пунктирные линии означают противоположную хиральность одного из участников взаимодействия. Панель (a): Асимметрия возникает при ионизации хиральной молекулы (красные линии) циркулярно-поляризованным светом (p=+1 и p=-1). Для ахиральной молекулы (синие линии) эффект отсутствует. Вылетающий электрон при этом не является вихревым (m=0). Панель (b): Асимметрия вихревых фотоэлектронов. Показана разница в выходе электронов с противоположной закруткой (m=+1 и m=-1) при ионизации циркулярно-поляризованным светом. Показано наличие асимметрии для ахиральной молекулы (синие линии). Панель (c): Энантио-чувствительность при ионизации ахиральным светом. Показана разница в сигнале для двух зеркальных форм хиральной молекулы (энантиомеров R и S, красные линии) при ионизации линейно-поляризованным (ахиральным) светом и детектировании вихревого электрона (m=1). Источник: Physics Letters A.
В будущем новые методы, основанные на взаимодействии с вихревыми электронами, могут привести к созданию нового поколения приборов для высокоточного анализа хиральных соединений, что найдет применение в фармацевтике для контроля чистоты лекарств, в астрохимии для поиска внеземной жизни и в фундаментальной физике для более глубокого понимания симметрий нашего мира.
Научная статья: Kirill V. Bazarov, Oleg I. Tolstikhin, Chiral asymmetry in the photoeffect with vortex photoelectrons, Physics Letters A, Volume 556, 2025, 130818, ISSN 0375-9601, https://doi.org/10.1016/j.physleta.2025.130818.
