Polarisierte Lichtwellen drehen sich bei ihrer Ausbreitung im oder gegen den Uhrzeigersinn, wobei sich eine Richtung anders verhält als die andere, wenn sie mit Molekülen interagiert. Diese Richtungsabhängigkeit, Chiralität oder Händigkeit genannt, könnte eine Möglichkeit bieten, bestimmte Moleküle für den Einsatz in biomedizinischen Anwendungen zu identifizieren und zu sortieren, aber Forscher hatten bisher nur begrenzte Kontrolle über die Richtung der Wellen.
Mithilfe von Metamaterialien hat ein Team von Elektrotechnikforschern der Penn State und der University of Nebraska-Lincoln (UNL) ein ultradünnes optisches Element geschaffen, das die Richtung polarisierter elektromagnetischer Lichtwellen steuern kann. Mit dieser neuen Steuerung können Forscher nicht nur die Chiralität des Lichts steuern, sondern auch die Chiralität von Molekülen identifizieren, indem sie bestimmen, wie polarisiertes Licht mit ihnen interagiert.
Die Identifizierung der Chiralität von Molekülen kann wichtige Informationen darüber liefern, wie sie mit anderen Systemen interagieren, beispielsweise ob bestimmte Medikamente dabei helfen, erkranktes oder beschädigtes Gewebe zu heilen, ohne gesunde Zellen zu schädigen. Die Forscher haben ihre veröffentlicht Ergebnisse In Naturkommunikation.
„Chiralität bezieht sich auf Spiegelbilder, wie etwa, dass sich linke und rechte Hände zu einem Händedruck verbinden“, erklärte Christos Argyropoulos, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik an der Penn State University und Mitautor des Artikels. In der Physik beeinflusst Chiralität unter anderem die Richtung, in der sich Lichtwellen drehen.
Argyropoulos und seine Kollegen stellten ein optisches Element her, das einem Objektträger aus Glas ähnelt und einen Wald aus winzigen, antennenartigen Nanostäben verwendet, die zusammen ein Metamaterial bilden – oder ein Material, das so konstruiert ist, dass es bestimmte Eigenschaften aufweist, die normalerweise in der Natur nicht zu finden sind – und den Spin steuern kann aus Licht. Auf der Nanoskala scheinen die Metamaterial-Nanostäbe die Form des Buchstabens „L“ zu haben.
„Wenn die Licht-Materie-Wechselwirkung durch die Metamaterialien vermittelt wird, kann man ein Molekül abbilden und seine Chiralität identifizieren, indem man untersucht, wie chirales Licht mit ihm interagiert“, sagte Argyropoulos.
Forscher an der UNL nutzten einen neuen Herstellungsansatz namens Glanzwinkelabscheidung, um das optische Element aus Silizium herzustellen.
„Silizium zerstreut das einfallende Licht nicht wesentlich, was bei Metall, das wir bei früheren Versuchen zur Herstellung des Elements verwendet haben, problematisch war“, sagte Ufuk Kilic, Forschungsprofessor an der UNL und Mitautor des Artikels. „Und Silizium ermöglichte es uns, die Form und Länge der Nanosäulen auf der Plattform anzupassen, was uns wiederum ermöglicht, die Art und Weise zu ändern, wie wir das Licht steuern.“
Die Identifizierung der Chiralität von Molekülen kann weitreichende Auswirkungen auf die Biomedizin haben, insbesondere bei Arzneimitteln, die manchmal rechts- oder linksdrehende Chiralität aufweisen, erklärte Argyropoulos. Während eine rechtsdrehende Molekülstruktur bei der Behandlung von Krankheiten wirksam sein kann, kann dasselbe Molekül mit einer linksdrehenden Struktur für gesunde Zellen toxisch sein.
Argyropoulos erwähnte das klassische Beispiel von Thalidomidein Medikament mit chiraler Struktur, das Frauen zwischen 1957 und 1962 zur Behandlung der morgendlichen Übelkeit verschrieben wurde. Das rechtsdrehende Molekül konnte Übelkeit lindern, war jedoch für sich entwickelnde Föten hochgiftig und verursachte Geburtsfehler bei Tausenden von Babys auf der ganzen Welt.
Das optische Element, so Argyropoulos, könne die molekulare Struktur von Arzneimitteln schnell abbilden und es Wissenschaftlern so ermöglichen, die Nuancen des Arzneimittelverhaltens besser zu verstehen.
Darüber hinaus kann das optische Element verwendet werden, um rechts- oder linkshändige elektromagnetische Wellen zu erzeugen, sagte Argyropoulos, die für die Entwicklung und Wartung klassischer und Quantenkommunikationssysteme wie verschlüsseltes WLAN und Mobilfunkdienste erforderlich sind.
„Früher brauchte man für optische Kommunikationssysteme große, sperrige Geräte, die nur auf einer Frequenz arbeiteten“, sagte Argyropoulos. „Dieses neue optische Element ist leicht und lässt sich leicht auf mehrere Frequenzen abstimmen.“
Mehr Informationen:
Ufuk Kilic et al., Kontrolle der breitbandig verstärkten Lichtchiralität mit L-förmigen dielektrischen Metamaterialien, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48051-4