La lumière est le moyen le plus rapide de distinguer les molécules chirales droitières et gauchers, qui a des applications importantes en chimie et en biologie. Cependant, la lumière ordinaire ne perçoit que faiblement la maniabilité moléculaire. Des chercheurs du Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI), l'Institut israélien de technologie (Technion) et la Technische Universitaet Berlin (TU Berlin) présentent désormais une méthode pour générer et caractériser la lumière chirale synthétique, qui identifie la maniabilité des molécules de manière exceptionnellement distincte. Les résultats de leurs travaux communs viennent de paraître dans Photonique de la nature .

Comme les mains gauche et droite, certaines molécules dans la nature ont des jumeaux miroirs. Cependant, alors que ces molécules jumelles peuvent sembler similaires, certaines de leurs propriétés peuvent être très différentes. Par exemple, la latéralité - ou chiralité - des molécules joue un rôle essentiel en chimie, la biologie, et le développement de médicaments. Alors qu'un type de molécule peut guérir une maladie, son jumeau miroir - ou énantiomère - peut être toxique ou même mortel.

Il est extrêmement difficile de distinguer les molécules chirales opposées car elles semblent identiques et se comportent de manière identique à moins qu'elles n'interagissent avec un autre objet chiral. La lumière a longtemps été utilisée pour détecter la chiralité - les oscillations du champ électromagnétique dessinent une hélice chirale dans l'espace le long de la direction de propagation de la lumière. Selon que l'hélice tourne dans le sens horaire ou antihoraire, l'onde lumineuse est soit à droite soit à gauche. Cependant, le pas d'hélice, fixé par la longueur d'onde de la lumière, est environ 1000 fois plus grande que la taille d'une molécule. Donc l'hélice légère est un cercle gigantesque comparé aux minuscules molécules, qui réagissent difficilement à sa chiralité.

Une manière innovante de contourner cette problématique proposée par MBI, Scientifiques du Technion et de la TU Berlin, est de synthétiser un nouveau type de lumière chirale qui dessine une structure chirale dans le temps en chaque point de l'espace. « Le caractère manuel de cette nouvelle lumière peut être réglé de manière à ce qu'un énantiomère interagisse activement avec elle et émette une lumière vive en réponse, tandis que l'énantiomère opposé n'interagira pas du tout avec lui, " explique le Dr David Ayuso, Chercheur MBI et premier auteur de l'article.

Les scientifiques ont décrit mathématiquement cette nouvelle lumière chirale et testé leur modèle en simulant son interaction avec les molécules chirales. Par ailleurs, ils ont montré comment créer une telle lumière dans un laboratoire, fusion de deux faisceaux laser convergents qui transportent des ondes lumineuses de deux fréquences différentes. En réglant le déphasage entre les différentes fréquences, les scientifiques peuvent contrôler la maniabilité de cette lumière chirale synthétique et ainsi sélectionner le type de molécule avec laquelle elle interagira fortement.

"La lumière chirale synthétique est décrite par des propriétés de symétrie intrinsèques complètement nouvelles pour les champs électromagnétiques, ce qui est très excitant, " dit Ofer Neufeld, un doctorat étudiant au département de physique du Technion, deuxième (à contribution égale) auteur de l'article.

Les chercheurs prévoient une variété d'applications potentielles de la nouvelle méthode en chimie et en biologie. Par exemple, la lumière chirale synthétique pourrait permettre aux chercheurs de surveiller les réactions chimiques chirales en temps réel ou de détecter le changement dans la maniabilité des molécules. "Nous espérons également utiliser cette nouvelle approche pour séparer spatialement des molécules avec le sens inverse à l'aide de lasers ultrarapides, " dit le professeur Dr. Olga Smirnova, professeur à la TU Berlin et responsable d'un groupe de théorie MBI.