Учёные впервые измерили и управляли движением электронов в хиральных молекулах

При облучении хиральных молекул вращающимся светом электроны испускаются преимущественно вперёд или назад. Аттосекундные импульсы (синие) и инфракрасные импульсы (красные) могут управлять направлением и обращать его. Автор: Александр Блех / Свободный университет Берлина

Химики из ETH Zurich впервые использовали сверхкороткие вращающиеся вспышки света для измерения и управления различными движениями электронов в зеркально-симметричных молекулах. Они показали, что хиральность молекул — это не только структурное, но и электронное явление.

Хиральность, или «зеркальная асимметрия», является фундаментальным свойством материи. Многие молекулы существуют в двух зеркальных версиях, которые, несмотря на внешнее сходство, не идентичны. Это различие играет важную роль в биологии, химии и фармацевтической промышленности. Многие строительные блоки жизни, такие как ДНК, аминокислоты и белки, являются хиральными и существуют только в лево- или правосторонней версии. В зависимости от своей хиральности лекарства могут быть эффективными, неэффективными или даже вредными.

До недавнего времени хиральность рассматривалась преимущественно как структурное свойство. Однако теперь команда исследователей под руководством профессора физической химии Ханса Якоба Вёрнера нашла способ визуализировать и управлять излучением электронов из хиральных молекул в реальном времени. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Аттосекундная хирооптическая совпаденийная спектроскопия. Автор: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09455-4

Процессы в аттосекундном масштабе

Исследователи изучали эффект, возникающий при облучении хиральных молекул циркулярно поляризованным светом — светом, который вращается по спирали. В первые моменты после светового возбуждения электрон выбрасывается из молекулы. В зависимости от хиральности облучаемой молекулы и направления вращения света, электрон испускается либо в направлении распространения падающего светового пучка, либо в противоположном направлении.

Учёным не только удалось измерить этот эффект (известный как циркулярный дихроизм фотоэлектронов, PECD), но и усилить его, манипулировать им во времени и даже обратить.

Это стало возможным благодаря уникальной установке, создающей циркулярно поляризованные аттосекундные импульсы — вспышки света с временным разрешением в одну миллиардную миллиардной доли секунды. Это необходимо для наблюдения за динамикой электронов в их естественном аттосекундном масштабе времени.

В комбинации с временно наложенным циркулярно поляризованным инфракрасным лучом исследователи смогли не только измерить, как быстро электрон выбрасывается из хиральной молекулы после светового возбуждения, но и управлять направлением его движения.

Фундаментальное исследование с потенциалом применения

Полученные результаты позволяют по-новому подойти к пониманию хиральности. «Мы больше не понимаем хиральность исключительно как статическую особенность молекулярной структуры, но также и как динамическое поведение электронов в хиральных системах», — говорит Мэн Хань, бывший постдок в группе Вёрнера и первый автор исследования.

В будущем разработанные аттосекундные вспышки могут помочь определять хиральность медицинских препаратов с большей чувствительностью и прояснить фундаментальные вопросы о происхождении хиральности в жизни. Метод также открывает новые пути для исследований хиральных процессов на электронном уровне с временным разрешением, что может привести к прогрессу в обработке информации, спинтронике, молекулярных машинах и биосенсорных технологиях.

Больше информации: Attosecond control and measurement of chiral photoionization dynamics, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09455-4, www.nature.com/articles/s41586-025-09455-4

Источник: ETH Zurich

ИИ: Это прорывное исследование открывает новые горизонты в понимании фундаментальных свойств материи. Возможность управлять движением электронов в хиральных молекулах может революционизировать фармацевтику и материаловедение в ближайшие годы.