Une nouvelle structure de lumière produite en laboratoire : le vortex chiral

Une équipe de recherche internationale a créé une nouvelle structure de la lumière appelée « vortex chiral », marquant une avancée majeure dans notre compréhension des interactions lumière-matière. Cette structure permet notamment de détecter plus facilement et plus précisément la chiralité des molécules, un aspect fondamental pour le développement de médicaments et de technologies optiques avancées.

Le vortex chiral se distingue par sa capacité à interagir avec des molécules chirales, c’est-à-dire des molécules qui existent en deux versions (gauchère ou droite), chacune étant une image miroir de l’autre. Cette nouvelle forme de lumière est produite en combinant deux faisceaux de lumière à polarisations circulaires opposées, créant une courbe chirale qui change de forme en fonction de sa position dans l’espace. Le champ électrique de cette forme de lumière trace une courbe chirale au fil du temps, formant une structure vortex qui interagit avec les particules chirales de manière précise et stable.

Les implications de cette découverte sont vastes. En permettant une détection plus précise de la chiralité moléculaire, le vortex chiral pourrait améliorer les processus de développement de médicaments, où la chiralité joue un rôle important. Les mesures traditionnelles de la chiralité ont du mal à identifier la concentration de molécules droitières et gauches dans des échantillons contenant des quantités presque égales de ces deux molécules. Grâce à notre nouvelle méthode, une infime concentration excédentaire de l’un ou l’autre de ces jumeaux miroirs peut être détectée, ce qui peut suffire à changer le cours d’une vie. « , explique le Dr Nicola Mayer, chercheur postdoctoral à l’Institut Max Born, dans un communiqué de presse universitaire. Les travaux, décrits dans la revue Photonique de la natureont été réalisées par une équipe de l’Institut Max Born en collaboration avec le King’s College de Londres, l’Imperial College de Londres et l’Université de Trieste (Italie).

Applications en optique et en médecine

Le vortex chiral pourrait être utilisé dans de nombreuses applications optiques, depuis les pinces optiques jusqu’à la manipulation de nanostructures. Par exemple, les faisceaux de vortex polarisés circulairement peuvent tordre les matériaux au niveau moléculaire pour former des nanostructures chirales, transférant ainsi l’« hélicité » de la lumière à la matière, par exemple par « écriture directe » par un laser femtoseconde.

De plus, cette nouvelle forme de lumière permet de détecter des biomarqueurs chiraux de manière plus rapide et moins invasive par rapport aux méthodes chimiques traditionnelles. En effet, le concept de lumière topologique chirale exploite les propriétés globales de la lumière vortex et la haute sensibilité de la lumière chirale synthétique. En d’autres termes, au lieu de se concentrer sur la structure de la lumière dans l’espace, cette méthode encode la chiralité de la lumière dans le temps, créant ainsi une courbe tridimensionnelle chirale lors d’un cycle laser. Cela permet d’obtenir des signaux optiques non linéaires ultrarapides et « énantiosensibles », c’est-à-dire sensibles aux molécules chirales, avec une précision inégalée.

Comprendre le vortex chiral

Cette nouvelle méthode permet ainsi de surmonter une limitation majeure des faisceaux optiques traditionnels, dont l’échelle spatiale est bien plus grande que celle des molécules chirales. En créant une source de lumière chirale synthétique avec des faisceaux vortex, les chercheurs peuvent désormais détecter des différences subtiles entre les molécules dites «droitières» et «gauchères», même dans des mélanges dilués. Cela ouvre la voie à des applications dans les domaines de la chimie, de la biologie, et même de l’informatique quantique, où la chiralité peut être utilisée pour coder des informations en bits quantiques.

 » En se concentrant sur la détection d’un motif rotatif de lumière émise par les molécules, il est beaucoup plus facile de détecter et d’interpréter les différences mineures dans la chiralité des échantillons dilués. De plus, la nature tourbillonnante du faisceau laser que nous avons conçu signifie que les signaux que nous recevons résistent aux pièges courants des expériences de chiralité en laboratoire, comme les fluctuations de l’intensité lumineuse, ce qui permet à davantage de personnes de faire ce travail.  » explique la professeure Olga Smirnova de l’Institut Max Born. De plus, cette technologie pourrait un jour augmenter la puissance de traitement des ordinateurs quantiques en augmentant la quantité de données que les « bits quantiques » individuels peuvent transporter.

Vers la commercialisation ? Pas tout à fait…

Bien que prometteuse, cette technologie présente également des défis importants. La fabrication à l’échelle commerciale de sources lumineuses capables de produire des vortex chiraux nécessitera des avancées technologiques actuellement hors de portée. Les premiers pas réalisés par les équipes de recherche sont toutefois très encourageants.

La robustesse des signaux reçus face aux fluctuations fréquentes dans les expériences de chiralité en laboratoire permet notamment d’éviter les erreurs dues aux variations d’intensité lumineuse dans leur système, ce qui est déjà un très bon début. Les chercheurs prévoient désormais d’explorer plus avant les applications potentielles de la technologie.

Source : Nature Photonics