Хиральность (электромагнетизм) - Chirality (electromagnetism)
Термин хиральный / к aɪ г əl / описывает объект, в особенности молекулы , которая имеет или производит не-superposable зеркального изображения самого по себе. В химии такая молекула называется энантиомером или, как говорят, проявляет хиральность или энантиомерию . Термин «хиральная» происходит от греческого слова, обозначающего человеческую руку, которое само по себе демонстрирует такую неперемещаемость левой руки именно правой. Из-за противостояния пальцев и больших пальцев, независимо от того, как две руки ориентированы, невозможно точное совпадение обеих рук. Спирали, хиральные характеристики (свойства), хиральные среды, порядок и симметрия - все это относится к концепции лево- и правосторонности.
Типы хиральности
Хиральность описывает, что что-то отличается от своего зеркального отображения. Хиральность можно определить в двух или трех измерениях. Это может быть внутреннее свойство объекта, такого как молекула, кристалл или метаматериал. Он также может возникать из-за относительного положения и ориентации различных компонентов, таких как направление распространения луча света относительно структуры ахирального материала.
Внутренняя трехмерная хиральность
Любой объект, который не может быть наложен на его зеркальное отображение путем перемещения или вращения в трех измерениях, имеет внутреннюю трехмерную хиральность. Внутренний означает, что хиральность является свойством объекта. В большинстве случаев материалы, описываемые как хиральные, обладают внутренней трехмерной хиральностью. Типичными примерами являются гомогенные / гомогенизируемые хиральные материалы, которые имеют хиральную структуру на субволновой шкале. Например, изотропный хиральный материал может содержать случайную дисперсию молекул или включений в форме вращения, такую как жидкость, состоящая из хиральных молекул. Ручность также может присутствовать на макроскопическом уровне в структурно хиральных материалах . Например, молекулы холестерических жидких кристаллов расположены случайным образом, но макроскопически они демонстрируют геликоидальный ориентационный порядок. Другие примеры структурно хиральных материалов могут быть изготовлены либо в виде стопки одноосных пластин, либо с использованием скульптурных тонких пленок . Примечательно, что искусственные образцы обоих типов хиральных материалов были произведены компанией JC Bose более 11 десятилетий назад. Трехмерная хиральность вызывает электромагнитные эффекты оптической активности и дихроизма линейного преобразования.
Внешняя трехмерная хиральность
Любая компоновка, которая не может быть наложена на ее зеркальное отображение путем сдвига или вращения в трех измерениях, имеет внешнюю трехмерную хиральность. Внешний означает, что хиральность является следствием расположения различных компонентов, а не внутренним свойством самих компонентов. Например, направление распространения луча света через ахиральный кристалл (или метаматериал) может формировать экспериментальную схему, которая отличается от его зеркального отображения. В частности, наклонное падение на любую плоскую структуру, которая не обладает двойной вращательной симметрией, приводит к трехмерной киральной экспериментальной схеме, за исключением особого случая, когда структура имеет линию зеркальной симметрии в плоскости падения . В 1945 году Банн предсказал, что внешняя трехмерная хиральность вызовет оптическую активность, и этот эффект позже был обнаружен в жидких кристаллах. Внешняя трехмерная хиральность вызывает большую оптическую активность и дихроизм линейного преобразования в метаматериалах. Эти эффекты по своей сути настраиваются путем изменения относительной ориентации падающей волны и материала. И внешняя трехмерная хиральность, и результирующая оптическая активность меняются местами для противоположных углов падения.
Внутренняя 2d хиральность
Любой объект, который не может быть наложен на свое зеркальное изображение путем сдвига или вращения в двух измерениях, имеет внутреннюю 2-мерную хиральность, также известную как плоская хиральность . Внутренний означает, что хиральность является свойством объекта. Любая плоская модель , которая не имеет линий зеркальной симметрии является 2d-хиральной, и примеры включают плоские спирали и буквы , такие как S, G, P . В отличие от 3d-хиральных объектов, воспринимаемое чувство поворота 2d-хиральных паттернов меняется на противоположное для противоположных направлений наблюдения. 2d хиральность связана с дихроизмом кругового преобразования, который вызывает направленную асимметричную передачу (отражение и поглощение) электромагнитных волн с круговой поляризацией.
Внешняя 2d хиральность
Также 2d хиральность может возникать из-за относительного расположения различных (ахиральных) компонентов. В частности, наклонное освещение любой планарной периодической структуры приведет к внешней 2d-хиральности, за исключением особых случаев, когда плоскость падения параллельна или перпендикулярна линии зеркальной симметрии структуры. Сильный дихроизм круговой конверсии из-за внешней 2d-хиральности наблюдался в метаматериалах.
Направленность электромагнитных волн
Электромагнитные волны могут иметь ручность, связанную с их поляризацией . Поляризация электромагнитной волны является свойством , которое описывает ориентацию , т.е. изменяющихся во время направления и амплитуду , от электрического поля вектора . Например, векторы электрического поля левосторонних или правосторонних волн с круговой поляризацией образуют спирали противоположной направленности в пространстве, как показано на соседней анимации. Поляризации описываются с помощью фигур, отслеживаемых вектором электрического поля как функцией времени в фиксированной позиции в пространстве. В целом, поляризация является эллиптической и прослежена по часовой стрелке или против часовой стрелки. Если, однако, основные и второстепенные оси этого эллипса равны, то поляризация называется круговой . Если малая ось эллипса равна нулю, поляризация называется линейной. Вращение электрического вектора по часовой стрелке обозначается правой поляризацией, а вращение против часовой стрелки - левой поляризацией. При принятии решения о вращении по часовой стрелке или против часовой стрелки необходимо соглашение . Физики-оптики склонны определять ручность с точки зрения наблюдателя, смотрящего на источник изнутри волны, как астроном, смотрящий на звезду. Инженеры склонны определять ручность, глядя на волну из-за источника, как инженер, стоящий за излучающей антенной. Оба соглашения дают противоположные определения левой и правой поляризаций, и поэтому необходимо позаботиться о том, чтобы понять, какое соглашение соблюдается.
Математически эллиптически поляризованную волну можно описать как векторную сумму двух волн с одинаковой длиной волны, но с неравной амплитудой, и в квадратуре (с соответствующими электрическими векторами под прямым углом и не в фазе на π / 2 радиан).
Круговая поляризация
Круговая поляризация , относительно электромагнитной волны распространения, является поляризацией таким образом, что кончик вектора электрического поля описывает спираль. Величина вектора электрического поля постоянна. Проекция кончика вектора электрического поля на любую фиксированную плоскость, пересекающуюся перпендикулярно направлению распространения, описывает круг. Волна с круговой поляризацией может быть разделена на две линейно поляризованные волны в фазовой квадратуре с их плоскостями поляризации, расположенными под прямым углом друг к другу. Круговая поляризация может называться «правая» или «левая» в зависимости от того, описывает ли спираль резьба правого или левого винта соответственно.
Эта статья включает материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб :
«Федеральный стандарт 1037C» . в поддержку серии военных стандартов США в области телекоммуникаций, MIL-STD-188
Оптическая активность
3D-хиральные материалы могут проявлять оптическую активность, которая проявляется как круговое двойное лучепреломление, вызывающее вращение поляризации для линейно поляризованных волн, и круговой дихроизм, вызывая разное затухание лево- и правосторонних волн с круговой поляризацией. Первые можно использовать для реализации ротаторов поляризации, а вторые - для реализации круговых поляризаторов. Оптическая активность мала в природных хиральных материалах, но она может быть увеличена на порядки в искусственных хиральных материалах, то есть хиральных метаматериалах . Точно так же, как воспринимаемое ощущение скручивания спирали одинаково для противоположных направлений наблюдения, оптическая активность одинакова для противоположных направлений распространения волн.
Круговое двойное лучепреломление
В 3d-киральных средах циркулярно поляризованные электромагнитные волны противоположной направленности могут распространяться с разной скоростью. Это явление известно как круговое двулучепреломление и описывается разными действительными частями показателей преломления для волн с левой и правой круговой поляризацией. Как следствие, волны с левой и правой круговой поляризацией накапливают разное количество фазы при распространении через хиральную среду. Эта разность фаз вызывает вращение состояния поляризации линейно поляризованных волн, что можно рассматривать как суперпозицию лево- и правосторонних волн с круговой поляризацией. Круговое двойное лучепреломление может дать отрицательный показатель преломления для одноручных волн, когда эффект достаточно велик.
Круговой дихроизм
В 3d-киральных средах циркулярно поляризованные электромагнитные волны противоположной направленности могут распространяться с разными потерями. Это явление известно как круговой дихроизм и описывается различными мнимыми частями показателей преломления для волн с левой и правой круговой поляризацией.
Зеркальная оптическая активность
В то время как оптическая активность обычно наблюдается для проходящего света, вращение поляризации и различное затухание лево- и правосторонних волн с круговой поляризацией также могут происходить для света, отраженного хиральными веществами. Эти явления зеркального кругового двойного лучепреломления и зеркального кругового дихроизма вместе известны как зеркальная оптическая активность. Зеркальная оптическая активность у природных материалов слабая. Внешняя трехмерная хиральность, связанная с наклонным освещением метаповерхностей, лишенных двукратной вращательной симметрии, приводит к большой зеркальной оптической активности.
Нелинейная оптическая активность
Оптическая активность, которая зависит от интенсивности света, была предсказана и затем обнаружена в кристаллах иодата лития . Было обнаружено, что по сравнению с иодатом лития внешняя 3d-хиральность, связанная с наклонным освещением метаповерхностей, лишенных двукратной вращательной симметрии, приводит к увеличению в 30 миллионов раз нелинейно-оптической активности в оптической части спектра. На микроволновых частотах эффект на 12 порядков сильнее, чем в иодате лития, наблюдался для внутренней 3d-хиральной структуры.
Круговой конверсионный дихроизм
2D хиральность связана с направленной асимметричной передачей (отражением и поглощением) циркулярно поляризованных электромагнитных волн. 2D-хиральные материалы, которые также являются анизотропными и имеют потери, демонстрируют разные уровни полного пропускания (отражения и поглощения) для одной и той же волны с круговой поляризацией, падающей на их переднюю и заднюю части. Явление асимметричной передачи возникает из-за различной, например, эффективности преобразования круговой поляризации слева направо для противоположных направлений распространения падающей волны, и поэтому этот эффект называется дихроизмом кругового преобразования. Подобно тому, как поворот 2d-хирального узора кажется обратным для противоположных направлений наблюдения, 2d-хиральные материалы имеют взаимозаменяемые свойства для левосторонних и правосторонних волн с круговой поляризацией, которые падают на их переднюю и заднюю стороны. В частности, левосторонние и правосторонние волны с круговой поляризацией испытывают противоположные асимметрии передачи (отражения и поглощения).
Круговой дихроизм преобразования с почти идеальной эффективностью был достигнут в киральных зеркалах на основе метаматериалов. В отличие от обычных зеркал, киральное зеркало отражает волны с круговой поляризацией одной руки без изменения направленности, в то же время поглощая волны с круговой поляризацией другой стороны. Киральные зеркала можно реализовать, поместив 2d-хиральный метаматериал перед обычным зеркалом. Эта концепция была использована в голографии для реализации независимых голограмм для левосторонних и правосторонних циркулярно поляризованных электромагнитных волн. Сообщалось об активных хиральных зеркалах, которые можно переключать между левым и правым, или хиральных зеркалах и обычных зеркалах.
Линейный конверсионный дихроизм
Трехмерная хиральность анизотропных структур связана с направленной асимметричной передачей (отражением и поглощением) линейно поляризованных электромагнитных волн. Различные уровни полного пропускания (отражения и поглощения) для одной и той же линейно поляризованной волны, падающей на их переднюю и заднюю стороны, возникают из-за разных, например, x-to-y, коэффициентов преобразования линейной поляризации для противоположных направлений распространения падающей волны, и, следовательно, эффект называется дихроизмом линейного преобразования. Эффективности преобразования поляризации x-to-y и y-to-x меняются местами для противоположных направлений распространения волны. Линейный конверсионный дихроизм наблюдался в метаматериалах с внутренней и внешней 3d-хиральностью. Активные метаматериалы, в которых эффект можно включать и выключать, были реализованы за счет управления трехмерной хиральностью с помощью фазовых переходов.
Отталкивающая сила Казимира в хиральных метаматериалах
Силы Казимира, наблюдаемые экспериментально в природе , почти всегда были привлекательными и приводили к неработоспособности наноразмерных и микромасштабных машин, заставляя их движущиеся части постоянно слипаться. Это давняя проблема, которую пытались решить некоторые исследователи.
Наноразмерных машина , как ожидается, имеет широкое применение в промышленности, энергетике, медицине и других областях могут когда - нибудь работать гораздо более эффективна , благодаря важным теоретическим открытиям , касающихся манипуляции известных сил Казимира , которые имели место в Департаменте энергетика США «s Ames Laboratory .
Новаторское исследование, проведенное с помощью математического моделирования, выявило возможность нового класса материалов, способных проявлять силу отталкивания, когда они находятся в чрезвычайно близком расстоянии друг от друга. Сила отталкивания, которая использует квантовое явление, известное как эффект Казимира, может когда-нибудь позволить наноразмерным машинам преодолевать механическое трение.
«Хотя силы трения в наноразмерных средах невелики, они значительно препятствуют работе крошечных устройств, предназначенных для работы в этой сфере», - объяснил Костас Сукулис, старший физик из лаборатории Эймса и заслуженный профессор физики в Университете штата Айова , руководивший исследованием. исследовательские усилия.
Сукулис и его товарищи по команде, включая научного сотрудника лаборатории Эймса Томаса Кошни, были первыми, кто изучил использование экзотических материалов, известных как хиральные метаматериалы, как способ обуздания эффекта Казимира. Их усилия продемонстрировали, что действительно возможно манипулировать силой Казимира. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters от 4 сентября 2009 года в статье, озаглавленной «Отталкивающая сила Казимира в хиральных метаматериалах». Однако эта работа была дискредитирована, потому что она была основана на нефизической модели хиральных материалов (см. Комментарий, опубликованный к статье PRL).
Понимание важности их открытия требует базового понимания как эффекта Казимира, так и уникальной природы киральных метаматериалов.
Эффект Казимира был назван в честь голландского физика Хендрика Казимира , который постулировал его существование в 1948 году. Используя квантовую теорию, Казимир предсказал, что энергия должна существовать даже в вакууме, что может вызвать силы, действующие на тела, находящиеся в непосредственной близости друг от друга. . Для простого случая двух параллельных пластин он постулировал, что плотность энергии внутри зазора должна уменьшаться по мере уменьшения размера зазора, что также означало, что необходимо проделать работу, чтобы раздвинуть пластины. В качестве альтернативы можно сказать, что существует сила притяжения, которая сближает пластины.
Примечательно, что это новое открытие демонстрирует, что отталкивающий эффект Казимира возможен с использованием хиральных метаматериалов. У хиральных материалов есть интересная особенность: их молекулярная структура предотвращает их наложение на обратную копию самих себя, точно так же, как человеческая рука не может идеально поместиться поверх обратного изображения самой себя. Хиральные материалы довольно распространены в природе. Молекула сахара ( сахароза ) является одним из примеров. Однако природные хиральные материалы не способны производить отталкивающий эффект Казимира, достаточно сильный для практического использования.
По этой причине группа обратила свое внимание на хиральные метаматериалы, названные так потому, что они не существуют в природе и должны производиться в лаборатории. То, что они искусственные, дает им уникальное преимущество, - прокомментировал Кошный. «С натуральными материалами вы должны взять то, что дает вам природа; с помощью метаматериалов вы можете создать материал, который точно соответствует вашим требованиям», - сказал он.
Хиральные метаматериалы, на которых сосредоточились исследователи, имеют уникальную геометрическую структуру, которая позволяет им изменять природу энергетических волн, таких как волны, расположенные в зазоре между двумя близко расположенными пластинами, заставляя эти волны оказывать отталкивающую силу Казимира.
Настоящее исследование было выполнено с использованием математического моделирования из-за трудностей, связанных с изготовлением этих материалов с помощью методов полупроводниковой литографии . Хотя необходимо проделать дополнительную работу, чтобы определить, могут ли хиральные материалы вызывать отталкивающую силу Казимира, достаточно сильную для преодоления трения в наноразмерных устройствах, практическое применение эффекта Казимира уже находится в стадии пристального изучения на других объектах Министерства энергетики, в том числе в Лос-Аламосе и Национальных лабораториях Сандиа. . Оба проявили значительный интерес к использованию хиральных метаматериалов, разработанных в лаборатории Эймса, для изготовления новых структур и уменьшения силы притяжения Казимира, а также, возможно, для получения силы Казимира отталкивания.
Эта статья включает материалы, являющиеся общественным достоянием, с веб-сайтов или документов Министерства энергетики США . из лаборатории Эймса
Смотрите также
Рекомендации
дальнейшее чтение
- Лахтакия, Ахлеш (1990). Избранные статьи о естественной оптической активности . SPIE Optical Engineering Press.
- Ванььер, Жорж Х. (август 2007 г.). О хиральности и универсальной асимметрии: размышления об изображении и зеркальном отображении . Wiley, John & Sons. стр. Глава 3, стр. 49. ISBN 978-3-906390-38-3 . Название главы : Свет, Магнетизм, Хиральность .
Внешние ссылки
- Маллен, Лесли, Science Communications (9 мая 2001 г.). «Детские ступеньки жизни (хиральность)» . Институт астробиологии НАСА. Архивировано из оригинала (« Миллиарды лет назад аминокислоты каким-то образом связаны вместе, образуя цепочечные молекулы ») 17 июля 2010 года . Проверено 28 июня 2010 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- Лаборатория Эймса. Архив пресс-релизов . доступ: 28 июня 2010 г.