В последние годы на пересечении физики, химии и материаловедения произошли значительные открытия, которые меняют наше понимание оптических свойств кристаллических материалов. Одним из наиболее удивительных из них стала недавно выявленная способность некоторых симметричных кристаллов проявлять асимметричное, или чиральное, поглощение света, несмотря на их кажущуюся симметрию. Это открытие бросает вызов традиционным представлениям о взаимосвязи между симметрией вещества и оптическими явлениями и обещает перспективные технологии в области фотоники, лазерных систем и квантовых вычислений. В данной статье мы подробно рассмотрим механизм данного необычного явления, материалы, его демонстрирующие, а также потенциальные сферы применения и значение этого открытия для науки и техники. Кристаллы и симметрия с точки зрения оптики В классической кристаллографии симметрия кристалла определяется геометрическими преобразованиями, которые позволяют «сопоставить» структуру кристалла сама с собой.
Одним из важных видов симметрии является центросимметрия — наличие центра инверсии, относительно которого каждый атом кристалла имеет зеркального «партнёра». Традиционно считалось, что такие центросимметричные кристаллы не могут проявлять так называемую циркулярную дихроизм — способность по-разному поглощать свет с левой и правой круговой поляризацией. Такой эффект характерен для хиральных структур, не обладающих зеркальной симметрией, и широко используется в изучении хиральных молекул, например, белков и других биомолекул. Однако недавно группа учёных из Северо-Западного университета (Northwestern University) под руководством Роэля Темпелара обнаружила, что кристаллы с формулой Li2Co3(SeO3)4 (LCSO), несмотря на свою центросимметричную структуру, способны проявлять действие, сходное с циркулярным дихроизмом. Это явление противоречит традиционным канонам и подразумевает существование новых разновидностей хиральной оптики, которые формируются не только за счёт трёхмерной симметрии, но и посредством взаимодействия с линейно поляризованным светом.
Механизм LD-LB эффекта: как симметричный кристалл становится «хиральным» Основой необычного эффекта стала комбинация двух давно известных оптических явлений — линейной дихроизмы (LD, linear dichroism) и линейной двулучепреломляемости (LB, linear birefringence). Линейная дихроизм представляет собой различие в поглощении света в зависимости от того, как ориентирован образец относительно поляризации света. Линейная двулучепреломляемость связана с различной скоростью распространения света в материале в зависимости от направления поляризации. Соединение этих эффектов, получившее обозначение LD-LB, создает обманчивое впечатление асимметричного поглощения для кругово поляризованного света без классической хиральности кристалла. Особенностью LCSO стала его двумерная хиральность — отражение структуры не через плоскость, а через определённую линию приводит к изменению свойств, что и объясняет наличие LD-LB эффекта.
В отличие от привычной трёхмерной хиральности, такая двумерная хиральность раскрывает новое измерение симметрии и взаимодействия с электромагнитным излучением. Практическое подтверждение в эксперименте Теоретические предположения Темпелара и его команды активно подтвердились в экспериментах. Кристаллы LCSO синтезировали и подвергли воздействию кругово поляризованного света, наблюдая расхождения в степени поглощения левой и правой поляризации, что обычно невозможно для центросимметричных современных кристаллов. Интересно, что при перевороте кристалла направление различий в поглощении менялось, что является отличительной чертой эффекта LD-LB в отличие от классического циркулярного дихроизма. Это надёжное и воспроизводимое проявление эффекта в хорошо упорядоченных кристаллах несомненно важно с точки зрения создания новых функциональных оптических материалов.
Ранее LD-LB наблюдался в органических пленках или перовскитах, где структура была менее упорядочена, что приводило к слабым и вариабельным сигналам. Перспективы применения: от чиральных лазеров до квантовых технологий Открытие симметричных, но оптически асимметричных кристаллов не просто расширяет фундаментальные знания о свете и материи, но и открывает путь для практических инноваций. Одно из наиболее многообещающих направлений — создание чиральных лазеров. Сегодня для получения кругово поляризованного лазерного света применяют внешние фильтры и сложные оптические компоненты, что увеличивает размеры и стоимость устройств. Встраивание чиральности непосредственно в лазерный кристалл позволит значительно упростить прибор и сделать его компактнее.
Особенно важна она для квантовой оптики, где контроль над спиновым состоянием фотонов имеет решающее значение для передачи и обработки информации. Материалы, обладающие эффектом LD-LB, могут стать частью квантовых информационных систем, способствующих развитию квантовых коммуникаций и вычислений. Другие потенциальные применения включают создание сенсоров, способных анализировать поляризационные свойства излучения с большей точностью и чувствительностью, а также новых типов оптических фильтров и дисплеев. Вызовы и направления будущих исследований Несмотря на впечатляющие результаты, это новое поле остается открытым для множества научных вопросов. В частности, требует дальнейшего изучения природа двумерной хиральности и возможности ее контроля через синтез кристаллов и внешние воздействия.
При этом принципиально важно искать и создавать новые материалы, обладающие аналогичным или ещё более сильным LD-LB эффектом, чтобы расширить диапазон применений. Также предстоит подробное исследование температурных и механических зависимостей эффекта, а также взаимодействия с другими видами электромагнитного излучения, что поможет понять многогранность и стабильность явления. Скромность и распространение открытия в научном сообществе Высокая оценка со стороны ведущих специалистов в области оптики и материаловедения подтверждает значимость открытия. Учёные заявляют, что подобные находки заставляют по-новому взглянуть на взаимодействие света с материей и расширяют рамки классических учебников по физике. Благодаря публикации в авторитетном журнале Science и активному обсуждению в научном сообществе, интерес к данной теме стремительно растёт.
Заключение Открытие симметричных кристаллов с асимметричным поглощением света — впечатляющий пример того, как фундаментальные исследования способны кардинально изменить наши представления о природе. Подобные материалы не только углубляют теоретические знания о хиральности и оптических свойствах, но и открывают широкие перспективы для инженерии новых оптических устройств и технологий, включая компактные чиральные лазеры и квантовые системные компоненты. В будущем, развитие направления, связанного с эффектом LD-LB и двумерной хиральностью, вероятно, станет важным звеном в научных изысканиях и технологических инновациях, сочетая в себе сложную физику, химию и технику для создания новых поколений высокотехнологичных материалов и приборов. Следить за дальнейшими открытиями в этой области будет крайне интересно как учёным, так и инженерам-практикам, работающим над будущем оптических технологий.
