Право - и левовращающие изомеры молочной кислоты — пример стереохимии, направления химии, занимающегося изучением влияния пространственной структуры составных частей молекулы на электронные и оптические свойства молекул. Физики из 4-го Физического института Штутгартского университета (Германия) под руководством профессора Харальда Гиссена (Harald Giessen) подхватили идеи стереохимии и перенесли их в область нанооптики и фотоники. Журнал Nature Photonics докладывает о результатах в мартовском выпуске.

Совместно с коллегами из Нанкинского университета (Китай) немецкие ученые изготовили металлические наноструктуры величиной около 100 нанометров, которые располагали пространстве в различных вариантах, причем таким образом, что отдельные расположения не переходили друг в друга путем поворотов или отражений. В качестве структурных элементов при этом служили U-образные так называемые split-ring-резонаторы (разрезные кольца), уже известные как структурные элементы метаматериалов.

Выяснилось, что при повороте отдельных элементов друг относительно друга электронные и оптические свойства материала сильно менялись. Принципиально новым явлением в этих «стереоматериалах» явилась дополнительная магнитная связь между отдельными структурными элементами, которая обычно не встречается в молекулах, в которых чаще доминируют электрические свойства. В металлических метаматериалах магнитные эффекты могут быть во много раз сильнее, чем в молекулах. Соотношение электрической и магнитной связи можно отрегулировать с высокой точностью путем изменения угла поворота. При угле примерно 60° электрический и магнитный эффекты довольно точно компенсируются. В этом случае проявляются высшие порядки взаимодействия, а именно эффекты квадруполя и октуполя, которые в молекулах найти сложно.

Стереоизомеры молекулы из двух резонаторов-разрезных колец, развернутых друг относительно друга на 60°

Штутгартские ученые изготовили целую серию подобных стереоматериалов. При этом они воспользовались методом, который применяется в индустрии полупроводниковых чипов: металлические наноструктуры укладывают в стопки слой за слоем, перемежая их изолирующими разделительными слоями из диэлектрика. Тем самым исследователи рассчитывают освоить совершенно новые направления нанофотоники, когда в создании будущих структур будут задействованы как пространственное расположение, так и электрические и магнитные свойства наноструктур. Следствием этого могут стать применения наподобие жидких кристаллов с хиральным (право - и левосторонним) воздействием поляризации, или повышение эффективности солнечных элементов с помощью вибрации электронов на металлических наноструктурах.