Киральность — фундаментальная характеристика природы, проявляющаяся на 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.
Киральность также является фундаментальным квантовым свойством отдельных электронных состояний. Тацуя Мики из Университета Сайтамы в Японии и его коллеги вводят киральность электронов как основу для количественной оценки нарушения симметрии в твёрдых телах, уделяя особое внимание киральным и родственным 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.
Знакомый пример кирального объекта — человеческая рука: левую и правую руки нельзя 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 зеркальная операция, которая 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.
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 яркую и долгую историю. В 1848 году Луи Пастер наблюдал под микроскопом двойную натриево-аммонийную соль винной кислоты и заметил два типа кристаллов, каждый из которых был зеркальным отражением другого.
Когда эти растворы по отдельности растворяли в воде, каждый из них вращал поляризованный свет в противоположных направлениях — первое наблюдение оптической активности, возникающей из-за киральности в молекулярной структуре.
Молекулы трилобита, измеренные в состоянии Ридберга
Атом Ридберга — это атом с сильно возбуждённым электроном, который может взаимодействовать со вторым атомом в его основном состоянии, образуя слабо связанную молекулу Ридберга. Один из примеров такого связанного состояния — «молекула трилобита Ридберга», названная так потому, что распределение вероятности электрона напоминает давно вымершее морское существо.
Марккус Экснер из Технического университета Кайзерслаутерна в Германии и его коллеги получили высокоразрешающие измерения колебательных спектров молекул трилобита 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 молекуле трилобита Ридберга электрон также имеет высокий угловой момент ℓ. Предыдущие спектроскопические исследования неизбежно смешивали высоко- ℓ молекулы трилобита Ридберга с низко- ℓ молекулами Ридберга, что затрудняло получение точных спектров.
Экснер и его коллеги создали чистую выборку высоко- ℓ молекул трилобита Ридберга, 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 настроена 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 высокопорядковые эффекты, которые возникают из-за взаимодействия электрон-атом при низких энергиях, ещё не учтены в модели.
Загрязняющие вещества усложняют взрывы 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 загрязняющие вещества влияют на динамику струй. Теперь Цзе Фэн из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и его коллеги наблюдали образование струй в лаборатории.
Когда незагрязнённый пузырь лопается на поверхности жидкости, тонкая плёнка пузыря разрывается и оставляет после себя схлопывающуюся полость. Рябь, называемая капиллярными волнами, распространяется вниз по бокам этой полости, подвергаясь постоянному затуханию, вызванному сопротивлением жидкости их движению.
Чтобы исследовать, как загрязняющие вещества 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 затуханию.
Используя эти результаты, исследователи разработали улучшенную модель производства струй в загрязнённых пузырьках. Они говорят, что эта модель может способствовать пониманию процессов, начиная от формирования атмосферных аэрозолей и заканчивая передачей патогенов.