Pendant près de 20 ans, les chercheurs ont cru qu'il était impossible de différencier les énantiomères d'une molécule chirale à l'aide de faisceaux lumineux hélicoïdaux. Les énantiomères sont des images miroir d'une molécule qui ne peuvent être superposées, comme notre main gauche et notre main droite qui ne peuvent apparaître identiques même si on les réorientent. En outre, on ne s'attend pas à ce que les molécules aux propriétés symétriques, comme les molécules achirales, présentent une quelconque dépendance à l'égard de l'hélicité de la lumière.
C'est pourtant ce qu'a fait un groupe de chercheurs de l'Université d'Ottawa.
L'équipe, dirigée par le professeur Ravi Bhardwaj et ses étudiants en doctorat Ashish Jain et Jean-Luc Bégin, avec la collaboration des professeurs Thomas Brabec et Ebrahim Karimi de l'Institut Nexus de technologies quantiques de l'Université d'Ottawa, et de Paul Corkum, titulaire de la Chaire de recherche du Canada en photonique attoseconde, a mis au point une nouvelle technique chiroptique pour différencier les deux images miroir non superposables d'une molécule chirale. Son efficacité peut même être mise à l'échelle et contrôlée en utilisant des faisceaux de lumière hélicoïdale à polarisation linéaire.
"Notre compréhension des interactions lumière-matière est principalement basée sur la propagation de la lumière polarisée de manière homogène et sur la prédominance des transitions dipôle-actif entre les différents états quantiques de la matière", explique Jean-Luc Bégin. "Les effets multipolaires d'ordre supérieur sont souvent ignorés. Nos résultats démontrent leur importance."
Leurs principales conclusions sont les suivantes :
- La sensibilité chirale accrue peut être observée directement en utilisant des faisceaux de lumière hélicoïdale polarisés linéairement, sans aucun intermédiaire.
- L'absorption différentielle de la lumière hélicoïdale asymétrique gauche et droite peut être observée même dans des molécules achirales qui peuvent être mises à l'échelle et contrôlées avec précision.
- L'absorption de la lumière en fonction de l'hélicité est due au couplage des moments dipolaires et quadrupolaires électriques et peut être réglée en modifiant la polarisation du laser.
" Détecter les énantiomères avec une sensibilité accrue est essentiel dans l'industrie pharmaceutique pour éliminer les effets secondaires indésirables d'un médicament ", d’ajouter Ashish Jain. "De plus, le contrôle des interactions lumière-matière que nous avons démontré avec la lumière hélicoïdale ouvre potentiellement de nouvelles opportunités en spectroscopie, en machines moléculaires pilotées par la lumière, en commutation optique et en sondage ultrarapide des matériaux magnétiques".
L'étude "Nonlinear helical dichroism in chiral and achiral molecules" a été publiée aujourd'hui dans Nature Photonics.