A diferencia de los espejos convencionales, la luz se puede reflejar en superficies denominadas metasuperficies sin cambiar su polarización. Este fenómeno ha sido demostrado ahora por físicos de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nürnberg (FAU) y del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz (MPL). El descubrimiento permite utilizar la luz circulante para detectar de forma fiable moléculas quirales.
Los investigadores han publicado su estudio en la revista Physical Review Letters. .
Las moléculas quirales se encuentran con frecuencia en la naturaleza. Conocidos como enantiómeros, son gemelos reflejados, como las manos derecha e izquierda de los humanos. "Los enantiómeros suelen tener la misma función", afirma el Dr. Michael Reitz, que obtuvo su doctorado en 2023 en el grupo de investigación del MPL dirigido por el Dr. Claudiu Genes. "Sin embargo, pueden tener efectos completamente diferentes, especialmente cuando entran en contacto con otras moléculas quirales."
Esto puede tener graves repercusiones, por ejemplo en farmacología. Mientras que uno de los enantiómeros podría curar una determinada enfermedad, el otro podría ser perjudicial para el organismo.
Por tanto, la capacidad de detectar y distinguir con precisión moléculas quirales es de especial interés, no sólo en la investigación farmacológica. La luz es un candidato ideal para la investigación, ya que los propios fotones también pueden ser quirales. "Es posible generar luz en forma de espiral en forma de sacacorchos", explica Nico Bassler, candidato doctoral conjunto de Claudiu Genes, jefe del grupo de investigación independiente Cooperative Quantum Phenomena del MPL y Prof. Dr. Kai Phillip Schmidt, catedrático de Estudios Teóricos. Física V en la FAU. "Dependiendo de la dirección en la que gira la espiral, interactúa con enantiómeros zurdos o diestros."
Sin embargo, para maximizar esta interacción, el campo luminoso debe limitarse espacialmente, por ejemplo haciéndolo circular entre dos espejos. El problema aquí es que cuando la luz se refleja usando un espejo convencional, cambia su polarización:la espiral gira en la dirección opuesta e interactuaría con el enantiómero "incorrecto".
Los físicos de FAU y MPL resolvieron este problema con un concepto novedoso:en lugar de utilizar espejos convencionales, utilizan algo conocido como metasuperficies compuestas de capas dobles de átomos. "Combinamos dos pilas de átomos de una sola capa, cada una de las cuales posee momentos dipolares eléctricos", explica Genes. "Los momentos dipolares pueden considerarse como la dirección de la carga a lo largo de un eje."
El factor decisivo para el funcionamiento de las metasuperficies es la orientación ortogonal de las pilas de átomos, es decir, garantizar que estén a 90 grados entre sí. "Este truco del campo de la física cuántica significa que los fotones se reflejan, pero mantienen su polarización", explica el Prof. Dr. Kai Phillip Schmidt.
Esto permite crear un tipo completamente nuevo de sensor quiral:mientras está encerrada entre dos metasuperficies en un espacio muy pequeño, la luz circulante puede detectar moléculas quirales de forma fiable y con una sensibilidad extremadamente alta. Los investigadores esperan que su descubrimiento ayude a acelerar el proceso de desarrollo de materiales con funciones relevantes, particularmente en los campos de la bioquímica y la farmacia.
Más información: Nico S. Baßler et al, Cavidades ópticas híbridas basadas en metasuperficies para detección quiral, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.043602
Proporcionado por la Universidad Friedrich–Alexander Erlangen–Nurnberg
