Силы Ван-дер-Ваальса позволили создать фотонный суперкристалл

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 её 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 врождённых 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 учёных фотонный суперкристалл.

Гомоструктуры (слои из одинакового материала) Ван-дер-Ваальса, использованные учёными, состоят из множества слоёв трисульфида мышьяка. Интересной особенностью этого материала является то, что один его слой не обладает хиральными свойствами, а несколько обладают.

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 счёт небольших взаимодействий в целом электрически нейтральных атомов. Эти слабые силы притяжения называют силами ван-дер-ваальса.

Оптические свойства материала учёные рассматривали, пропуская через него поляризованный свет. Кроме того, были проведены и теоретические расчёты.

Каждый следующий слой материала повёрнут относительно предыдущего на один и тот же угол в одну и ту же сторону. Расчёты сделаны были как для конечного числа слоёв, так и в модели с бесконечным числом слоёв.

Экспериментально было исследовано множество различных направлений поляризации.

Эксперимент показал согласие с теоретическими расчётами и продемонстрировал, что многослойный материал сильно по-разному пропускает свет с разной поляризацией. На графиках, построенных учёными, 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 её 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 путём создания спиральных гомоструктур на основе слоёв 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 слоёв 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 совершённые оптические приборы, не используя для этого дополнительных наноструктур, что помогает также снизить стоимость их изготовления.

В работе принимали учёные из МФТИ, Института биохимической физики имени Н. М. Эммануэля РАН, а также их коллеги из Сингапура, Испании, ОАЭ и Армении.