«Игра в зеркало»: Ученые научились менять «рукость» кристаллов с помощью света

Вы когда-нибудь задумывались, почему левая перчатка не подходит на правую руку? Это явление, известное как хиральность, — не просто забавный факт из повседневной жизни. В мире кристаллов оно играет ключевую роль, определяя их свойства и возможности. Ученые долгое время изучали хиральные кристаллы, чья «рукость» — своего рода пространственная асимметрия — влияет на их оптические и электрические характеристики. Но что, если бы мы могли управлять этой «рукостью», меняя её по своему желанию?

Именно это и удалось сделать команде исследователей из Гамбурга и Оксфорда. Они «научили» нехиральные кристаллы проявлять хиральность с помощью света. А знаете что? Это открывает совершенно новые перспективы в управлении свойствами материалов.

Антиферрохиралы: игра в симметрию

Для начала, давайте поговорим о «героях» этого исследования — антиферрохиральных кристаллах. Представьте себе, что это такие себе близнецы, только один — левша, а другой — правша. Но в отличие от обычных близнецов, они не просто похожи. Они — взаимоисключающие «зеркальные» копии друг друга. В антиферрохиральном кристалле эти лево- и правосторонние «близнецы» существуют в равных пропорциях, что в итоге делает кристалл в целом нехиральным — он, если можно так выразиться, «амбидекстер».

Это напоминает ситуацию с магнитами: в антиферромагнетиках магнитные моменты соседних атомов направлены в противоположные стороны, сводя на нет общую намагниченность. Только в случае хиральности речь идет не о магнитных, а о пространственных свойствах.

Терагерцовый «фокус»: как свет меняет правила игры

Команда физиков под руководством Андреа Кавальери задалась вопросом: возможно ли нарушить эту симметрию? Возможно ли заставить антиферрохиральный кристалл вести себя как хиральный, то есть, иметь чётко выраженную левую или правую «рукость»?

В качестве «волшебной палочки» ученые выбрали терагерцовый свет. Почему именно он? Дело в том, что терагерцовые волны соответствуют частотам колебаний атомов в кристаллической решетке. И если правильно подобрать частоту, можно, как выразился ведущий автор работы Чжиян Цзэн, «возбудить определенную колебательную моду».

Здесь нам нужно сделать небольшое отступление. Представьте, что кристалл — это своего рода музыкальный инструмент. У него есть свои «струны» — колебательные моды, каждая из которых соответствует определенной частоте. Попадая в резонанс с одной из этих «струн», терагерцовый импульс заставляет атомы смещаться, меняя структуру кристалла.

И вот здесь начинается самое интересное: «подвинув» атомы нужным образом, ученые смогли вывести кристалл из «равновесия» и придать ему хиральность. Причем, что особенно важно, поворачивая поляризацию терагерцового света, они могли «выбирать», какой именно хиральностью будет обладать кристалл — левой или правой. Как будто в руках волшебный переключатель.

Что это значит для будущего?

Этот эксперимент, результаты которого опубликованы в журнале Science, имеет огромные перспективы. Возможность контролировать хиральность с помощью света открывает целый ряд новых возможностей в управлении материалами.

Соавтор исследования Михаэль Фёрст отметил, что это «открывает новые возможности для динамического управления материей на атомном уровне». Это как минимум означает, что мы сможем создавать новые, невиданные доселе материалы с заданными свойствами.

А если посмотреть шире? Представьте себе сверхбыстрые устройства памяти, где информацию можно записывать и стирать, меняя «рукость» кристалла. Или, например, более совершенные оптоэлектронные платформы, где хиральность позволит управлять светом с беспрецедентной точностью.

Возможность индуцировать хиральность в нехиральных материалах, таким образом, открывает перед нами новые горизонты в области материаловедения и нанотехнологий. Это как если бы мы нашли новый способ управлять миром вокруг нас, играя с его самыми фундаментальными свойствами. И все это — благодаря тонкому «фокусу» со светом и хиральностью.