Em contraste com os espelhos convencionais, a luz pode ser refletida em superfícies conhecidas como metassuperfícies sem alterar a sua polarização. Este fenômeno foi agora comprovado por físicos da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) e do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz (MPL). A descoberta permite que a luz circulante seja usada para detectar moléculas quirais de forma confiável.



Os pesquisadores publicaram seu estudo na revista Physical Review Letters .

Moléculas quirais ocorrem frequentemente na natureza. Conhecidos como enantiômeros, eles são gêmeos espelhados – como as mãos direita e esquerda dos humanos. “Os enantiômeros geralmente têm a mesma função”, diz o Dr. Michael Reitz, que obteve seu doutorado em 2023 no grupo de pesquisa do MPL liderado pelo Dr. “No entanto, eles podem ter efeitos completamente diferentes, especialmente quando entram em contato com outras moléculas quirais”.

Isto pode ter um impacto sério, por exemplo, na farmacologia. Enquanto um dos enantiômeros pode fornecer a cura para uma determinada doença, o outro pode ser prejudicial ao organismo.

A capacidade de detectar e distinguir com precisão moléculas quirais é, portanto, de particular interesse, não apenas na investigação farmacológica. A luz é uma candidata ideal para pesquisa, pois os próprios fótons também podem ser quirais. "É possível gerar luz como uma espiral em forma de saca-rolhas", explica Nico Bassler, candidato a doutorado conjunto de Claudiu Genes, chefe do grupo de pesquisa independente Cooperative Quantum Phenomena no MPL e Prof. Física V na FAU. "Dependendo da direção em que a espiral gira, ela interage com enantiômeros canhotos ou destros."

Para maximizar esta interação, no entanto, o campo de luz deve ser confinado espacialmente, por exemplo, circulando-o entre dois espelhos. O problema aqui é que quando a luz é refletida usando um espelho convencional, ela muda sua polarização – a espiral então gira na direção oposta e interagiria com o enantiômero “errado”.

Camadas duplas de átomos usadas como espelho

Os físicos da FAU e do MPL resolveram este problema com um conceito novo:em vez de usar espelhos convencionais, eles usam algo conhecido como metassuperfícies compostas por camadas duplas de átomos. “Combinamos duas pilhas de átomos de camada única, cada uma possuindo momentos dipolares elétricos”, explica Genes. "Os momentos dipolares podem ser considerados como a direção da carga ao longo de um eixo."

O fator decisivo para o funcionamento das metassuperfícies é a orientação ortogonal das pilhas de átomos, ou seja, garantir que estejam a 90 graus entre si. “Esse truque do campo da física quântica significa que os fótons são refletidos, mas ainda mantêm sua polarização”, explica o Prof. Kai Phillip Schmidt.

Isso permite um tipo completamente novo de sensor quiral:embora encerrada entre duas metassuperfícies em um espaço muito pequeno, a luz circulante pode detectar moléculas quirais de maneira confiável e com sensibilidade extremamente alta. Os investigadores esperam que a sua descoberta ajude a acelerar o processo de desenvolvimento de materiais com funções relevantes, nomeadamente nas áreas da bioquímica e da farmácia.

Mais informações: Nico S. Baßler et al, Metasurface-Based Hybrid Optical Cavities for Chiral Sensing, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.043602
Fornecido pela Universidade Friedrich-Alexander Erlangen-Nurnberg