Cercetătorii folosesc câmpuri de lumină 3D pentru a controla stările cuantice ale electronilor
O echipă de fizicieni a reușit să genereze câmpuri de lumină tridimensionale prin suprapunerea a două impulsuri laser ultrashortite care converg din direcții diferite. Cu ajutorul acestei metode, cercetătorii au excitat electroni în stări cuantice care fuseseră anterior inaccesibile în experimente, deschizând noi direcții experimentale pentru identificarea structurilor chirale și controlul interacțiunilor dintre lumină și materie.
„Cu metoda noastră, putem genera stări cuantice electronice care au fost descrise anterior doar teoretic și le putem face vizibile spațial”, explică dr. Matthias Wollenhaupt, care coordonează echipa de cercetare. „Am extins astfel setul de instrumente al opticii experimentale cu o nouă clasă de câmpuri de lumină tridimensionale.”
Impulsuri care se intersectează deblochează noi stări electronice
Pentru a genera câmpurile de lumină 3D, echipa a suprapus două impulsuri laser femtosecundă modelate special. Acestea sunt explozii extrem de scurte de lumină care durează doar câteva milionimi de bilionimi de secundă. Cercetătorii au combinat două fascicule laser de culori diferite, făcând fasciculele să se intersecteze într-un singur punct și creând astfel câmpuri de lumină tridimensionale a căror formă au putut să o controleze.
„Câmpurile oscilează în toate cele trei direcții spațiale, deschizând noi posibilități pentru investigarea și controlul interacțiunilor specifice dintre lumină și materie”, explică Darius Köhnke, unul dintre cei doi autori principali ai studiului și doctorand în cadrul grupului de cercetare Ultrafast Coherent Dynamics.
Avantajul principal al acestei proceduri este că cercetătorii pot folosi câmpuri de lumină 3D pentru a genera stări cuantice ale electronilor care erau anterior inaccesibile în experimente. Echipa a demonstrat acest lucru folosind câmpul lor de lumină 3D pentru a excita selectiv electroni din atomi de potasiu în stări de energie superioară — cunoscute sub numele de stări excitate — și apoi eliberându-i din atomi. Cercetătorii au putut observa simultan schimbările stărilor electronice la intervale scurte. Metoda lor a funcționat astfel ca o cameră ultra-rapidă pentru procesele cuantice: la fel ca în tehnica de iluminare stroboscopică, au reușit să surprindă etapele succesive ale diferitelor stări electronice, formând un film al evoluției lor.
Potенțial pentru distingerea imaginilor în oglindă ale moleculelor
Cercetătorii explică că noua metodă este deosebit de promițătoare pentru investigarea moleculelor chirale, care joacă un rol cheie în biologie și medicină. Moleculele chirale există în două forme care sunt imagini în oglindă una față de cealaltă, dar nu pot fi suprapuse, la fel ca o pereche de mâini umane stânga și dreapta. Multe biomolecule, inclusiv aminoacizi, carbohidrați și principii active din produsele medicamentoase, pot fi chirale. Cele două forme ale lor au frecvent proprietăți diferite. De exemplu, principiul activ talidomida din medicamentul Contergan are o formă care provoacă malformații congenitale în timpul sarcinii și o altă formă care este inofensivă. Cu toate acestea, poate fi foarte dificil să separi sau să distingi între cele două forme diferite.
Câmpurile de lumină tridimensionale ar putea conduce la progrese importante în domeniul detectării chirale: „Studiile teoretice arată că câmpurile de lumină tridimensionale pot poseda, de asemenea, proprietăți chirale”, explică Wollenhaupt.
Posibilitățile pe care câmpurile de lumină tridimensionale le deschid pentru investigarea și controlul chiralității moleculare au fost recent evidențiate de fizicianul dr. Olga Smirnova de la Institutul Max Born pentru Optică Neliniară din Berlin într-un articol publicat în revista Science, intitulat „A New Age of Molecular Chirality”. Fizicienii scriu că studiul actual pune o bază importantă pentru astfel de aplicații.
