Войти
Хиральность с помощью рук и двух энантиомеров общей аминокислоты 
Направление потока тока и индуцированный магнитный поток следуют соотношению "ручности" Термин хиральныйописывает объект, особенно молекулу, который имеет или производит несложное зеркальное отражение самого себя. В химии такая молекула называется энантиомером или, как говорят, проявляет хиральность или энантиомерию. Термин «хиральный» происходит от греческого слова, обозначающего человеческую руку, которое само по себе демонстрирует такую неперемещаемость левой руки точно над 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 они связаны с концепцией лево- и правовинности.
Хиральность описывает, что что-то отличается от его 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.
Любой объект, который не может быть наложен на свое зеркальное отображение путем сдвига 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 Дж. К. Бозе более 11 десятилетий назад. Трехмерная хиральность вызывает электромагнитные эффекты оптической активности и дихроизма линейного преобразования.
Любая компоновка, которая не может быть наложена на ее зеркальное отображение путем сдвига или вращения в трех измерениях, имеет внешнюю трехмерную хиральность. Внешняя 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, не обладающую 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 сути настраиваются путем изменения относительной ориентации падающей волны и материала. Как внешняя трехмерная хиральность, так и результирующая оптическая активность меняются местами для противоположных углов падения.
Любой объект, который не может быть наложен на свое зеркальное изображение путем сдвига или вращения в двух измерениях, имеет внутренняя 2d хиральность, также известная как плоская хиральность. Внутренний означает, что хиральность является свойством объекта. Любой плоский узор, не имеющий линии зеркальной симметрии, является 2d-хиральным, и примеры включают плоские спирали и буквы, такие как S, G, P. В отличие от 3d-хиральных объектов, воспринимаемое чувство скручивания 2d-хиральных узоров 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.
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. В метаматериалах наблюдался сильный круговой дихроизм преобразования из-за внешней двумерной хиральности.
.
Схема электромагнитной волны от дипольной антенны. Ориентация электрического вектора и ориентация магнитного вектора специфичны, как и хиральны. Диаграмма не совмещается со своим зеркальным отображением. 
Линейно поляризованный свет. Блок векторов представляет, как величина и направление электрического поля постоянны для всей плоскости , которая перпендикулярна к направление движения. 
Электромагнитные волны могут иметь направленность, связанную с их поляризацией. Поляризация электромагнитной волны - это свойство, которое описывает ориентацию, т. Е. изменяющееся во времени направление и амплитуду, электрическое поле вектор. Например, векторы электрического поля левосторонних или правосторонних волн с круговой поляризацией образуют спирали противоположной направленности в пространстве, как показано на анимации рядом. Поляризации описываются фигурами, очерченными вектором электрического поля как функцией времени в фиксированной позиции в пространстве. Как правило, поляризация эллиптическая и отслеживается по часовой стрелке или против часовой стрелки. Если, однако, большая и малая оси эллипса равны, то поляризация называется круговой. Если малая ось эллипса равна нулю, поляризация называется линейной. Вращение электрического вектора по часовой стрелке обозначается как правая поляризация, а вращение против часовой стрелки - как левая поляризация. При принятии решения о вращении по часовой стрелке или против часовой стрелки необходимо использовать 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 внимательно следить за тем, чтобы понять, какое соглашение соблюдается.
Математически эллиптически поляризованную волну можно описать как векторную сумму двух волн равной длины волны, но неравной амплитуды, и в квадратуре (с их соответствующими электрическими векторами под прямым углом и смещением по фазе на π / 2 радиан).
Анимация правостороннего (по часовой стрелке), циркулярно поляризованного света, если смотреть в направлении источника, в соответствии с Соглашения физиков и астрономов Круговая поляризация, касающаяся распространения электромагнитных волн, - это поляризация такая, что кончик вектор 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 резьбу правого или левого винта соответственно
Эта статья включает общественное достояние материал из документа General Services Administration : «Federal Standard 1037C». в поддержку серии военных стандартов США, касающихся телекоммуникаций, MIL-STD-188
3D-хиральные материалы могут проявлять оптическую активность, которая проявляется как круговое двойное лучепреломление, вызывающее вращение поляризации для линейно поляризованных волн, и круговой дихроизм, вызывающий различное затухание левой - и правосторонние волны 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. Так же, как воспринимаемое ощущение скручивания спирали одинаково для противоположных направлений наблюдения, оптическая активность одинакова для противоположных направлений распространения волн.
В трехмерных хиральных средах циркулярно поляризованные электромагнитные волны противоположной направленности могут распространяться с разной скоростью. Это явление известно как круговое двойное лучепреломление и описывается различными 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 в хиральной среде. 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.
В трехмерных хиральных средах циркулярно поляризованный электромагнитный волны разнонаправленности могут распространяться с разными потерями. Это явление известно как круговой дихроизм и описывается разными мнимыми частями показателей преломления для волн с левой и правой круговой поляризацией.
В то время как оптическая активность обычно наблюдается для проходящего света, вращение поляризации и различное затухание левосторонних и правосторонних волн с круговой поляризацией также могут происходить для света, отраженного хиральными веществами.. Эти явления зеркального кругового двулучепреломления 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.
Оптическая активность, которая зависит от интенсивности света, была предсказана и затем наблюдали 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 более сильный, чем в иодате лития, наблюдался для внутренней 3d-хиральной структуры.
2D-хиральность связана с направленной асимметричной передачей (отражение и поглощение) 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 разных, например Эффективность преобразования круговой поляризации слева направо для противоположных направлений распространения падающей волны, поэтому этот эффект называется дихроизмом кругового преобразования. Подобно тому, как поворот 2d-кирального узора кажется обратным для противоположных направлений наблюдения, 2d-киральные 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).
Циркулярный 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. Хиральные зеркала можно реализовать, поместив 2d-хиральный метаматериал перед обычным зеркалом. Эта концепция была использована в голографии для создания независимых голограмм для левосторонних и правосторонних циркулярно поляризованных электромагнитных волн. Сообщалось об активных хиральных зеркалах, которые можно переключать между левым и правым, или хиральном зеркале и обычном зеркале.
Трехмерная хиральность анизотропных структур связана с направленной асимметричной передачей ( отражение и поглощение) 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 части, возникают из разных, например x-to-y, коэффициенты преобразования линейной поляризации для противоположных направлений распространения падающей волны, и поэтому этот эффект называется дихроизмом линейного преобразования. Эффективности преобразования поляризации x-to-y и y-to-x меняются местами для противоположных направлений распространения волны. Линейный дихроизм преобразования наблюдался в метаматериалах с внутренней и внешней 3d-хиральностью. Активные метаматериалы, в которых эффект может быть включен и выключен, были реализованы путем управления трехмерной хиральностью с помощью фазовых переходов.
силы Казимира экспериментально наблюдаемые в природе почти всегда были привлекательными и приводили к неработоспособности машин наноразмеров и микромасштабов, заставляя их движущиеся части постоянно слипаться. Это давняя проблема, которую пытались решить некоторые исследователи.
Наноразмерные машины, которые, как ожидается, найдут широкое применение в промышленности, энергетике, медицине и других областях, могут когда-нибудь работать гораздо более эффективно благодаря важным теоретическим открытиям, касающимся манипулирования знаменитыми силами Казимира, имевшим место в США. Лаборатория Эймса Министерства энергетики .
Новаторское исследование, проведенное с помощью математического моделирования, выявило возможность нового класса материалов, способных оказывать отталкивающую силу, когда они находятся в очень близком расстоянии от друг 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 лаборатории Эймса и заслуженный профессор физики в Университет штата Айова, руководивший исследовательской работой.
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 выпуске журнала Physical Review Letters от 4 сентября 2009 года в статье, озаглавленной «Отталкивающая сила Казимира в хиральных метаматериалах». Однако эта работа была дискредитирована, поскольку 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 хиральных 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, расположенные в непосредственной близости друг от друга. Для простого случая двух параллельных пластин он постулировал, что плотность энергии внутри зазора должна уменьшаться с уменьшением размера зазора, что также означает, что необходимо проделать работу, чтобы развести 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 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 метаматериалами 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 те, которые расположены в зазоре между двумя близко расположенными пластинами, заставляя эти волны оказывать отталкивающее действие. Сила Казимира.
Настоящее исследование было проведено с использованием математического моделирования из-за трудностей, связанных с изготовлением этих материалов с помощью полупроводниковых литографических методов. 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 внимательно изучается на других объектах Министерства энергетики, включая Лос-Аламос и Сандийские национальные лаборатории. Оба проявили значительный интерес к использованию хиральных метаматериалов, разработанных в лаборатории Эймса, для изготовления новых структур и уменьшения силы Казимира притяжения, а также, возможно, для получения отталкивающей силы Казимира.
Эта статья включает материал, являющийся общественным достоянием, из веб-сайты или документы Министерства энергетики США. из Лаборатория Эймса
