Вихревой электрон научился различать зеркальные молекулы: новое слово в детекции киральности

Молекулы живой материи — аминокислоты, сахара, нуклеотиды — существуют в двух зеркальных формах, словно правая и левая перчатка. Это свойство, называемое киральностью, критически важно для биологии и фармакологии: один энантиомер может быть лекарством, а другой — ядом. Печально известный пример — талидомид, где одна форма снимала токсикоз, а другая вызывала тяжёлые пороки развития.

Традиционно для распознавания киральности в газовой фазе используют круговой дихроизм — разницу в поглощении лево- и правополяризованного света, — но его сигнал чрезвычайно мал, порядка сотых долей процента. Более чувствительным оказался фотоэлектронный круговой дихроизм (PECD), предсказанный Ричи в 1976 году и впервые наблюдённый в начале 2000-х. В нём циркулярно поляризованный свет выбивает из киральной молекулы электроны, которые разлетаются асимметрично: вперёд больше, чем назад. Асимметрия достигает нескольких процентов — на два-три порядка выше, чем при обычном круговом дихроизме.

От фотонов к электронам

Ключ к эффективности PECD — киральность самого фотона: циркулярно поляризованный свет несёт спиновый угловой момент. Взаимодействие двух киральных объектов (фотона и молекулы) зависит от совпадения или противоположности их закруток. Учёные задались вопросом: можно ли заменить фотон электроном, но не обычным, а закрученным — вихревым, обладающим орбитальным угловым моментом? Теоретический аппарат для описания таких электронов в рассеянии активно развивается с 2017 года, а в 2024 году группа профессора Олега Толстихина показала, что вихревые электроны рождаются при туннельной ионизации молекул в сильном лазерном поле. Однако до сих пор не было доказательств, что они чувствительны к киральности молекул-мишеней.

Валентина Коловертнова, студентка ЛФИ МФТИ, построила строгую теорию упругого рассеяния вихревых электронов на киральных молекулах и провела численные расчёты для конкретного случая. Вместе с Кириллом Базаровым и Олегом Толстихиным она выбрала модель молекулярного потенциала нулевого радиуса (ZRP) для D-глицеральдегида (C₃H₆O₃) — простейшей киральной молекулы класса альдоз, эталона киральности. Модель, несмотря на простоту, сохраняет полную молекулярную геометрию и корректно учитывает многократное рассеяние.

Асимметрия, которая не исчезает

Результаты подтвердили интуицию: угловое распределение рассеянных электронов зависит от знака киральности как электрона, так и молекулы. Если одновременно заменить «правый» вихревой электрон на «левый» и один энантиомер молекулы на другой, картина рассеяния меняется — в точности как в PECD. Киральная асимметрия проявляется в разнице между случаями с разными проекциями орбитального момента m или между двумя энантиомерами при фиксированном m.

Особый интерес представляет вопрос: не усредняется ли асимметрия до нуля из-за хаотичной ориентации молекул в газе? Авторы доказали, что для бесконечного однородного облака — да, асимметрия исчезает. Но для любого конечного облака, сколь угодно большого, эффект сохраняется, хотя и убывает с ростом числа молекул. Оптимальный режим наблюдается, когда произведение поперечной составляющей переданного импульса на размер облака приблизительно равно единице. При этом предсказанная величина асимметрии составляет несколько процентов — вполне сопоставимо с типичными значениями PECD.

Как пояснила Валентина Коловертнова, самой трудоёмкой частью работы стало численное вычисление величин, усреднённых по ориентациям молекул, на основе аналитически решаемой модели. Для нескольких наборов параметров пучка (разных m, энергии и угла раскрытия) строились усреднённые угловые распределения рассеянных электронов. Именно на этих графиках киральная асимметрия проступает наглядно: даже после усреднения по ориентациям кривые для двух энантиомеров отличаются.

С практической точки зрения работа открывает перспективу нового метода зондирования молекулярной киральности. Существующие оптические методы (круговой дихроизм, PECD) основаны на поглощении света. Вихревые электроны вносят принципиально иной механизм: они несут заряд и массу, их взаимодействие с молекулой определяется кулоновским рассеянием, а не поглощением. Это даёт дополнительный инструмент для изучения киральных систем, особенно в газовой фазе. Следующими шагами исследователи видят переход к более реалистичным молекулярным потенциалам и учёт неупругих каналов, что позволит делать количественные предсказания для молекул, интересных химикам и биологам.