Licht-induzierte Chiralität

Chirale Strukturen

Chiralität ist eine allgegenwärtige Form der Symmetrie, die eng mit den physikalischen Eigenschaften von Festkörpern sowie der chemischen und biologischen Aktivität molekularer Systeme verbunden ist. Ein Objekt wird als chiral definiert, wenn sein Spiegelbild nicht durch eine beliebige Kombination von Drehungen oder Verschiebungen auf sich selbst überlagert werden kann. Die linke und rechte menschliche Hand stehen symbolisch für diese Eigenschaft. In kristallinen Systemen wird die strukturelle Chiralität während des Wachstums durch die dreidimensionale Gitterstruktur vorgegeben, in der die Atome angeordnet sind. Einmal gebildet, können chirale Kristalle mit entgegengesetzter Händigkeit nicht ineinander umgewandelt werden, ohne das Material zu schmelzen und anschließend zu rekristallisieren.

Sogenannte antiferro-chirale Kristalle sind solche, die chirale Fragmente mit entgegengesetzter Händigkeit beinhalten. Sie sind aber als Gesamtsystem betrachtet aufgrund der Entartung zwischen den links- und rechtshändigen Strukturen nicht chiral. „Entartung“ heißt hier einfach gesagt, dass beide Strukturen sich hier in ihren Drehungen gegenseitig kompensieren. Ein bemerkenswertes Merkmal dieser Systeme ist ihr Potenzial, unter äußeren Störungen, die die entgegengesetzten chiralen Fragmente dekompensieren können, eine Chiralität zu entwickeln.

Transiente Chiralität durch nichtlineare Phononik

Das Forschungsteam der Abteilung für die Dynamik kondensierter Materie am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD), unter der Leitung von Andrea Cavalleri, nutzte nun intensives Terahertz-Licht, um dieses Gleichgewicht im nicht-chiralen Material Borphosphat (BPO₄) aufzuheben und so Chiralität auf ultraschnellen Zeitskalen zu induzieren [1]. Terahertz-Strahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Mikrowellen und Infrarotlicht, und ihre Frequenz eignet sich, um Atomen in Kristallgittern wie dem von BPO₄ zu kollektiven Schwingungen – sogenannte Phononen anzuregen, wie Saiten einer Gitarre. Ermöglicht wurde dieses Experiment durch Kollaboration mit Paolo Radaelli von der University of Oxford, in dessen Arbeitsgruppe die untersuchte Probe hergestellt wurde, und der von Philip Moll geleiteten Abteilung für Mikrostrukturierte Quantenmaterie am MPSD, die diese Probe für das optische Experiment präparierte.

Sie nutzten dabei einen Mechanismus aus, der als nichtlineare Phononik bezeichnet wird [2,3]. Dieses Konzept bietet eine neue Grundlage für das gezielte Design von Kristallstrukturen und -symmetrien mit Licht, wodurch gewünschte funktionale Eigenschaften mit sehr hoher Geschwindigkeit induziert werden. Dabei wird eine spezifische atomare Schwingungsmode, ein Phonon, zu Oszillationen im Terahertz-Frequenzbereich angeregt, welche das Kristallgitter entlang der Bewegungsrichtung anderer Moden im Material auslenkt – allerdings ohne diese zu einer Schwingung anzuregen. Die atomare Auslenkung dieses gekoppelten Phonons erzeugt einen chiralen Zustand [4], der mehrere Pikosekunden lang anhält. Eine Pikosekunde ist zwar nur ein Millionstel einer Millionstel Sekunde kurz, aber aus der Perspektive der hier geltenden Physik lang genug für einen ganz neuen Materialzustand. Bemerkenswert ist dabei, dass durch die Drehung der Polarisation des anregenden Terahertz-Lichts um 90 Grad entweder eine links- oder rechtshändige chirale Struktur gezielt induzieren werden kann. Die Polarisation beschreibt die Schwingungsrichtung der Lichtwelle.

Die Forscher entwickelten ein theoretisches Modell für diese Kristalldynamik. Sie verwendeten sogenannte Ab-initio-Berechnungen, die auf quantenmechanisch formulierten Bewegungsgleichungen basieren, um alle relevanten Parameter dieses Effekts zu bestimmen und damit das experimentelle Ergebnis vorherzusagen. Die induzierte Chiralität ließ sich in einem zeitaufgelösten optischen Experiment nachweisen, in dem ein zeitverzögerter Lichtpuls der Dauer weniger hundert Femtosekunden die optische Aktivität misst, die mit der gewünschten Chiralität zusammenhängt [1]. Eine Femtosekunde ist tausendmal kürzer als eine Pikosekunde.

Potenzielle Anwendungen

Die Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten zur dynamischen Kontrolle von Materie auf atomarer Ebene, die einzigartige Funktionalitäten schaffen kann. Die Fähigkeit, Chiralität in nicht-chiralen Materialien zu induzieren, könnte zum Beispiel zu neuen Anwendungen in ultraschnellen Speicherelementen oder sogar in zukünftigen optoelektronischen Plattformen führen. Diese Forschung steht noch am Anfang, aber es ist vorstellbar, dass elektronische und magnetische Eigenschaften, die durch Chiralität des Kristallgitters beeinflusst sind, auch mit ähnlichen Methoden umgeschaltet werden können.