Naukowcom z Instytutu Fritza Habera udało się osiągnąć niemal całkowite rozdzielenie stanów kwantowych cząsteczek chiralnych, łamiąc dotychczasowe ograniczenia i otwierając nowe kierunki badań w fizyce molekularnej.
Ten przełom polega na wykorzystaniu dostosowanych pól mikrofalowych i promieniowania ultrafioletowego, co pozwala na uzyskanie 96% czystości w kontroli stanu kwantowego, co ma istotne implikacje dla zrozumienia homochiralności biologicznej i podstawowych symetrii wszechświata.
Odkrycie to podważa wcześniejsze założenia dotyczące praktycznych ograniczeń kontroli stanu kwantowego cząsteczek chiralnych i toruje drogę nowym kierunkom badań w fizyce molekularnej i poza nią.
Podstawowy wpływ na systemy biologiczne
Cząsteczki chiralne, które istnieją jako dwie nienakładające się na siebie wersje lustrzanego odbicia zwane enancjomerami, podobne do naszej lewej i prawej ręki, mają fundamentalne znaczenie dla tkanki życia.
Możliwość kontrolowania tych cząsteczek i ich stanów kwantowych ma głębokie implikacje, od przestrzennego rozdzielenia enancjomerów w fazie gazowej po testowanie hipotez na temat pochodzenia homochiralności życia – preferencji jednego odbicia lustrzanego nad drugim w układach biologicznych.
Osiągnięcie niemal doskonałej kontroli stanu kwantowego
Do tej pory w środowisku naukowym uważano, że doskonała kontrola nad stanami kwantowymi tych cząsteczek jest teoretycznie możliwa, ale praktycznie nieosiągalna.
Zespół z Instytutu Fritza Habera udowodnił jednak, że jest inaczej. Tworząc niemal idealne warunki eksperymentalne, wykazali, że czystość jednego enancjomeru (jednego z dwóch odbić lustrzanych) w stanie kwantowym wynosi 96%, a tylko 4% drugiego enancjomeru znacznie zbliża się do celu wynoszącego 100%. selektywność.
Postęp w technikach eksperymentalnych
Ten przełom był możliwy dzięki zastosowaniu dostosowanych pól mikrofalowych w połączeniu z promieniowaniem ultrafioletowym, co pozwoliło na niespotykaną wcześniej kontrolę nad cząsteczkami.
W eksperymencie wiązka cząsteczek, której ruchy obrotowe były w większości tłumione (schłodzona do temperatury obrotowej około 1 stopnia powyżej absolutne zero), przemierza trzy obszary interakcji, gdzie jest narażony na rezonansowe promieniowanie UV i mikrofalowe.
W rezultacie, co stanowi znaczny postęp w eksperymentach z wiązkami molekularnymi, wybrane rotacyjne stany kwantowe zawierają prawie wyłącznie wybrany enancjomer chiralnej cząsteczki.
Nowe kierunki badań w fizyce molekularnej
Nowy eksperyment otwiera nowe możliwości badania podstawowych efektów fizycznych i chemicznych z udziałem cząsteczek chiralnych. Metoda opracowana przez zespół otwiera nowe możliwości badania naruszenia parzystości w cząsteczkach chiralnych – zjawiska przewidywanego w teorii, ale jeszcze nie zaobserwowanego eksperymentalnie. Może to mieć głębokie implikacje dla naszego zrozumienia podstawowych (a)symetrii wszechświata.
Potencjalne zastosowania i przyszłe badania
Zasadniczo badanie to pokazuje, że możliwe jest prawie całkowite przeniesienie stanu specyficznego dla enancjomeru i że metodę tę można zastosować do znacznej większości cząsteczek chiralnych. Oczekuje się, że odkrycie to otworzy nowe, ważne możliwości w fizyce molekularnej, w tym nowe podejścia badawcze i potencjalne zastosowania.
Odniesienie: „Prawie kompletna selekcja chiralna w rotacyjnych stanach kwantowych” autorstwa JuHyeona Lee, Elahe Abdiha, Borisa G. Sartakowa, Gerarda Meijera i Sandry Eibenberger-Arias, 28 sierpnia 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-51360-3
