Drgania molekularne mogą zastąpić prąd elektryczny. Nowe spojrzenie na chiralność
Przez lata obowiązywała teoria porównująca zachowanie cząsteczek chiralnych do działania elektromagnesu. Według tego modelu, potrzebowały one przepływu prądu, aby oddziaływać z magnesami. Problem w tym, że obserwacje nie zawsze pasowały do tej koncepcji. Naukowcy wielokrotnie widzieli efekty magnetorezystancji i zjawisko CISS nawet w układach, w których nie było żadnego prądu.
Czytaj też: Japończycy rozwiązali jedną z największych zagadek fizyki szkła spinowego
Cząsteczki chiralne, występujące w formach lewo- i prawoskrętnych jak para rękawiczek, odgrywają kluczową rolę w chemii organicznej i biochemii. To od ich konfiguracji zależy działanie wielu leków i aminokwasów. Zespół profesora Shinji Miwy z Uniwersytetu Tokijskiego we współpracy z profesorem Tatsuhiko Ohto z Uniwersytetu Nagoja odkrył, iż helikalne struktury mogą generować spin poprzez zwykłe drgania molekularne. To tak, jakby struna gitary sama zaczęła vibrato bez dotyku muzyka.
Eksperyment, który zmienia perspektywę
Naukowcy wykorzystali zaawansowane techniki spintroniczne, konstruując specjalistyczne ogniwo elektrochemiczne do obserwacji zachowania cząsteczek w kontrolowanych warunkach. Kluczowym momentem było zaobserwowanie oscylacyjnych zmian prądu przy zmieniającej się grubości warstwy złota, co wskazywało na międzywarstwowe sprzężenie wymienne między cząsteczkami a magnesem. Najbardziej zaskakujące okazało się to, że ruch wibracyjny w cząsteczkach chiralnych generował spin – kwantową właściwość zależną wyłącznie od ich chiralności. Kierunek pola magnetycznego nie miał znaczenia. To cenna obserwacja, ponieważ sugeruje, jakoby cząsteczki „rozpoznawały” własną skrętność.
Ruch wibracyjny w cząsteczkach chiralnych prowadzi do pojawienia się spinu, który zależy wyłącznie od chiralności, niezależnie od kierunku pola magnetycznego – tłumaczą autorzy
Czytaj też: Nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej, czyli Święty Graal fizyki. Nowa metoda zmienia bieg badań
Wyniki opublikowane w czasopiśmie Science Advances zostały potwierdzone obliczeniami teoretycznymi, a brak konieczności stosowania prądu elektrycznego oznacza, że opisany mechanizm może funkcjonować w najróżniejszych środowiskach: od laboratoryjnych probówek po wnętrza żywych komórek. To zasadnicza różnica w porównaniu z wcześniejszymi modelami, które ograniczały zjawisko do sytuacji z przepływem ładunków. W chemii może to pomóc wyjaśnić, dlaczego niektóre reakcje preferują tworzenie określonych form chiralnych. W biologii rzuca nowe światło na mechanizmy rozróżniania cząsteczek lewo- i prawoskrętnych przez organizmy żywe, co ma fundamentalne znaczenie dla procesów metabolicznych.
Choć daleko nam jeszcze do pełnego zrozumienia tych procesów, odkrycie tokijskich naukowców otwiera interesujące możliwości. Spintronika, już teraz wykorzystywana w nowoczesnych dyskach twardych, może zyskać kolejny impuls rozwojowy. Być może chiralność i magnetyzm odgrywają w przyrodzie znacznie większą rolę, niż dotychczas przypuszczaliśmy.