Киральность — фундаментальная характеристика природы, проявляющаяся в разных масштабах — от элементарных частиц и молекул до биологических организмов и формирования галактик. Объект считается киральным, если его нельзя наложить на его зеркальное изображение. В физике конденсированных сред киральность рассматривается как структурная асимметрия в пространственном расположении атомов в кристаллической решётке.
Менее известный факт заключается в том, что киральность также является фундаментальным квантовым свойством отдельных электронных состояний. Теперь Тацуя Мики из Университета Сайтама в Японии и его коллеги представляют киральность электронов как основу для количественной оценки нарушения симметрии в твёрдых телах, уделяя особое внимание киральным и связанным с ними аксиальным материалам.
Исследователи предлагают способ измерения киральности электронов с помощью фотоэмиссионной спектроскопии. Этот новый взгляд на киральность может открыть пути к обнаружению новых функциональных свойств в асимметричных материалах.
Примеры киральных объектов
Знакомым примером кирального объекта является человеческая рука: левую и правую руки невозможно наложить друг на друга, они являются зеркальным отражением друг друга. Фундаментальные частицы, такие как электрон, также могут проявлять киральность, основанную на так называемом преобразовании чётности в квантовой теории поля.
Это зеркальное отображение связывает два киральных состояния — левостороннее и правостороннее, которые ведут себя по-разному под действием слабого взаимодействия. Например, левосторонние электроны имеют слабые взаимодействия, а правосторонние — нет. Свойство, тесно связанное с киральностью, — это спиральность: проекция спина на направление импульса. В случае безмассовых фермионов состояния спиральности и киральности совпадают.
Изучение киральных материалов
В физике конденсированных сред киральность рассматривается как структурная асимметрия. Киральное расположение атомов — это такое расположение, которое нарушает определённые симметрии, в частности «неправильные» симметрии, включающие отражение и инверсию.
Изучение киральных материалов имеет долгую историю. В 1848 году Луи Пастер наблюдал двойную натриево-аммониевую соль винной кислоты под микроскопом и заметил два типа кристаллов, каждый из которых был зеркальным отражением другого. При растворении в воде по отдельности каждый раствор вращал поляризованный свет в противоположных направлениях — первое наблюдение оптической активности, возникающей из-за киральности в молекулярной структуре.
Исследователи продолжают интересоваться киральными материалами, особенно тем, как киральность их кристаллической структуры влияет на электронные и спиновые свойства. Например, недавние эксперименты показали, что киральный материал может действовать как эффективный источник поляризации спина электронов, эффект, известный как киральность, индуцированная спиновой селективностью (CISS).
Киральность и орбитальная текстура
Киральные кристаллы также демонстрируют нетрадиционные топологии зонной структуры и поверхностные состояния. Недавняя работа установила связь между киральностью и орбитальной текстурой — расположением электронных орбит в обратном (импульсном) пространстве.
Эти примеры подчёркивают взгляд сверху вниз, в котором киральная структура придаёт электронам киральное поведение. Однако киральные электронные состояния могут возникать в ахиральных кристаллах. Например, полуметаллы Вейля с нарушенной симметрией инверсии являются ахиральными, и всё же они содержат квазичастицы, которые ведут себя как безмассовые фермионы Вейля с определённой хиральностью.
Измерение вибрационных спектров трилобитных молекул Ридберга
Молекулы Ридберга — это атомы с сильно возбуждённым электроном, который может взаимодействовать со вторым атомом в его основном состоянии, образуя слабо связанную молекулу Ридберга. Одним из примеров такого связанного состояния является «трилобитная молекула Ридберга», названная так потому, что распределение вероятности электрона напоминает давно вымершее морское существо.
Марккус Экснер из Технического университета Кайзерслаутерна в Германии и его коллеги провели высокоразрешающие измерения вибрационных спектров трилобитных молекул Ридберга, образованных из пар атомов рубидия. Результаты предлагают строгий тест теоретических моделей.
Возбуждённый электрон в молекуле Ридберга имеет главное квантовое число $n$ не менее 20. В трилобитной молекуле Ридберга электрон также имеет высокий угловой момент $ℓ$. Предыдущие спектроскопические исследования неизбежно смешивали молекулы Ридберга с высоким $ℓ$ с молекулами Ридберга с низким $ℓ$, что затрудняло получение точных спектров.
Экснер и его коллеги создали чистую выборку молекул Ридберга с высоким $ℓ$, сначала ограничив и охладив облако атомов рубидия в основном состоянии, а затем переведя их в состояние с высоким $n$ и высоким $ℓ$ с помощью трёхфотонного процесса возбуждения. Третий из трёх последовательных фотонов исходил от лазера, чья изначально резонансная частота была расстроена с шагом, так что образующиеся молекулы формировались в различных дискретных колебательных состояниях.
Исследователи обнаружили, что их эксперимент в целом согласуется с недавно разработанной теоретической моделью. Однако тонкие эффекты высокого порядка, которые возникают из-за взаимодействия электрон-атом при низких энергиях, ещё не учтены в модели.
Влияние загрязнителей на динамику струй при разрыве пузырьков
Многие природные и промышленные процессы генерируют пузырьки, которые лопаются на границе раздела воздух-жидкость. Это лопание может создавать жидкие струи, которые распадаются на мелкие капли, высвобождая любые биологические или химические загрязнители, которые могут находиться в непосредственной близости от пузырьков.
Поскольку эти выбросы могут влиять как на здоровье населения, так и на глобальный климат, крайне важно лучше понять, как загрязнители влияют на динамику струй. Теперь Цзе Фэн из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и его коллеги наблюдали формирование струи в лаборатории.
Исследователи разработали новую модель, которая точно предсказывает толщину струи и её зависимость от свойств загрязнителей. Когда незагрязнённый пузырёк лопается на поверхности жидкости, тонкая плёнка пузырька разрывается и оставляет после себя схлопывающуюся полость. Рябь, называемая капиллярными волнами, распространяется вниз по стенкам этой полости, подвергаясь постоянному демпфированию, вызванному сопротивлением жидкости их движению.
Чтобы выяснить, как загрязнители могут изменить этот процесс, Фэн и его коллеги использовали высокоскоростную камеру для наблюдения за лопанием покрытых маслом пузырьков на поверхности глицеринового раствора. Они обнаружили, что капиллярные волны, распространяющиеся вниз в этих пузырьках, сталкивались со всё более толстым слоем масла, что приводило к сложному, зависящему от времени демпфированию.
Используя эти результаты, исследователи разработали улучшенную модель производства струй в загрязнённых пузырьках. Они говорят, что эта модель может способствовать пониманию процессов, начиная от образования атмосферных аэрозолей и заканчивая передачей патогенов.