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 от 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.

Численно рассчитанная вероятность встретить молекулу с той или иной хиральностью для нулевого, первого и второго порядков дифракционной картины в зависимости от свойств обеих наведенных решеток / B. Stickler et al / Physical Review X, 2021

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.