Contrairement aux miroirs conventionnels, la lumière peut être réfléchie sur des surfaces appelées métasurfaces sans modifier sa polarisation. Ce phénomène a maintenant été prouvé par des physiciens de l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nürnberg (FAU) et de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière (MPL). La découverte permet d'utiliser la lumière circulante pour détecter de manière fiable les molécules chirales.
Les chercheurs ont publié leur étude dans la revue Physical Review Letters .
Les molécules chirales sont fréquentes dans la nature. Connus sous le nom d’énantiomères, ce sont des jumeaux en miroir, comme les mains droite et gauche des humains. "Les énantiomères ont généralement la même fonction", explique le Dr Michael Reitz, qui a obtenu son doctorat en 2023 dans le groupe de recherche du MPL dirigé par le Dr Claudiu Genes. "Cependant, ils peuvent avoir des effets complètement différents, notamment lorsqu'ils entrent en contact avec d'autres molécules chirales."
Cela peut avoir de graves conséquences, par exemple en pharmacologie. Alors que l'un des énantiomères pourrait guérir une certaine maladie, l'autre pourrait être nocif pour l'organisme.
La capacité de détecter et de distinguer avec précision des molécules chirales présente donc un intérêt particulier, et pas seulement dans la recherche pharmacologique. La lumière est un candidat idéal pour la recherche, car les photons eux-mêmes peuvent également être chiraux. "Il est possible de générer de la lumière sous la forme d'une spirale en forme de tire-bouchon", explique Nico Bassler, doctorant conjoint de Claudiu Genes, responsable du groupe de recherche indépendant Cooperative Quantum Phenomena au MPL et du professeur Kai Phillip Schmidt, président du département théorique. Physique V à la FAU. "Selon la direction dans laquelle la spirale tourne, elle interagit soit avec des énantiomères gauchers, soit avec des énantiomères droitiers."
Cependant, pour maximiser cette interaction, le champ lumineux doit être spatialement confiné, par exemple en le faisant circuler entre deux miroirs. Le problème ici est que lorsque la lumière est réfléchie à l'aide d'un miroir conventionnel, elle change de polarisation :la spirale tourne alors dans la direction opposée et interagirait avec le "mauvais" énantiomère.
Les physiciens de la FAU et du MPL ont résolu ce problème avec un concept nouveau :au lieu d'utiliser des miroirs conventionnels, ils utilisent ce qu'on appelle des métasurfaces composées de doubles couches d'atomes. "Nous combinons deux empilements d'atomes monocouches possédant chacun des moments dipolaires électriques", explique Genes. "Les moments dipolaires peuvent être considérés comme la direction de la charge le long d'un axe."
Le facteur décisif pour le fonctionnement des métasurfaces est l’orientation orthogonale des empilements d’atomes, c’est-à-dire qu’ils soient à 90 degrés les uns des autres. "Cette astuce issue du domaine de la physique quantique signifie que les photons sont réfléchis, tout en conservant leur polarisation", explique le professeur Kai Phillip Schmidt.
Cela permet de créer un tout nouveau type de capteur chiral :bien qu'enfermée entre deux métasurfaces dans un très petit espace, la lumière en circulation peut détecter les molécules chirales de manière fiable et avec une sensibilité extrêmement élevée. Les chercheurs espèrent que leur découverte contribuera à accélérer le processus de développement de matériaux dotés de fonctions pertinentes, en particulier dans les domaines de la biochimie et de la pharmacie.
Plus d'informations : Nico S. Baßler et al, Cavités optiques hybrides basées sur des métasurfaces pour la détection chirale, Physical Review Letters (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.043602
Fourni par l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nuremberg
