Молекулы предложили переводить в хиральную суперпозицию
Немецкие физики построили теоретическую модель, в рамках которой описали молекулы в квантовой суперпозиции состояний с различной хиральностью. Они также смоделировали эксперимент, который позволил бы явно пронаблюдать квантовую интерференцию этих состояний, что может быть использовано для поиска тонких взаимодействий, нарушающих симметрию левого и правого. Работа опубликована в Physical Review X.
Среди всех характеристик молекул хиральность вызывает особый интерес. Это свойство молекул отличаться друг от друга так же, как отличаются несимметричный объект и его изображение в зеркале. Примечательно, что несмотря на энергетическую симметричность левого и правого хиральных состояний многие биологически активные молекулы обладают строго определенной хиральностью. Эта ситуация получила название «парадокс Хунда».
Изучение квантовой динамики хиральных молекул ответит на многие вопросы, связанные с хирально-чувствительным взаимодействием, которое повсеместно встречается в физике, химии и биологии. Среди прочего интерес представляет работа с молекулами, которые находятся в состоянии квантовой суперпозиции с разными значениями хиральности (энантиомеров). Такие молекулы можно использовать в точных экспериментах по квантовой интерференции, чтобы измерять даже слабое хирально-чувствительное взаимодействие, однако эта идея пока находится на лишь стадии концепта.
Бенджамин Стиклер (Benjamin Stickler) из Университета Дуйсбурга — Эссена и его коллеги из других немецких университетов сделали следующий шаг в этом направлении. Они провели теоретический анализ условий наблюдения квантовой интерференции молекул в состоянии хиральной суперпозиции и описали предполагаемый эксперимент, который мог бы обнаруживать хирально-чувствительное взаимодействия.
Для начала они описали левое и правое энантиомерное состояния как два симметричных минимума молекулярного потенциала, зависящего одной обобщенной координаты. Оказалось, что при определенных условиях энантиомерные состояния запутываются с состояниями с определенными вращательными квантовыми числами с образованием хирально-суперпозиционных состояний даже в отсутствие внешнего возмущения. В обычных условиях эволюция таких состояний не связана с состояниями, описывающими движение молекул как единое целое, однако если такую связь создать, то станет возможным наблюдение разных интерференционных картин при измерении хиральности у прилетающих на экран молекул.
Добиться запутывания поступательного движения молекулы с ее внутренними степенями свободы физики предлагают с помощью дифракции на двух типах оптических решеток. Обе решетки предлагается создавать с помощью одного луча, который делится на две части. Первый луч генерирует стоячую волну, которая наводит пространственно-фазовую модуляцию (иными словами, играет роль дифракционной решетки для молекул), второй формирует аналог спиральной фазовой пластинки, с помощью которой создается хирально-фазовая модуляция. Авторы смоделировали получаемую таким образом дифракционную картину, в которой четко прослеживалось пространственное разделение хиральности.
Авторы также провели численные эксперименты для проверки чувствительности предложенной схемы к взаимодействию, нарушающему симметрию левого и правого, в том числе и за счет слабого распада. В последнем случае чувствительности схемы оказалось недостаточно, чтобы зафиксировать этот фундаментальный вклад, однако, как показали расчеты, ее может хватить, чтобы обнаружить предсказанные ранее нарушения симметрии в соединениях, содержащих тяжелые элементы.
В заключении физики привели оценки, которые показали, что подходящими кандидатами на роль молекул для экспериментальной проверки описанных эффектов могли бы стать производные тетрагелиценов. Для этих молекул они указали параметры лазера и описали протокол предполагаемого опыта.
Ученые исследуют симметрию левого и правого на всех возможных фронтах. Мы уже рассказывали, как они разработали новую математическую модель возникновения хиральности в биологических системах, но не нашли ее признаков в столкновениях многозарядных ионов.
Марат Хамадеев
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.