A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizika Tanszékének és az MTA-BME Kondenzált Anyagok Fizikája Kutatócsoportjának munkatársai – Bordács Sándor, Kézsmárki István, Szaller Dávid és Demkó László – japán és észt kutatókkal együttműködésben először mutatták meg, hogy az anyagok kiralitása mágneses térrel változtatható. Eredményeiket a rangos Nature Physics folyóirat közölte.
A szerves anyagok, nukleinsavak, fehérjék és cukrok, szinte kivétel nélkül királisak: ez azt jelenti, hogy van egy bal- és egy jobbkezes változatuk. Bioszféránkat azonban homokiralitás jellemzi, azaz a földi élőlényekben mindig csak az egyik módosulat fordul csak elő. Ennek eredete napjainkig ismeretlen, megértése segíthet az élet kialakulásának tisztázásában is. A két királis forma legtöbb fizikai tulajdonsága – olvadáspont, szín és molekula tömeg – megegyezik, azonban kölcsönhatásuk egy másik királis objektummal eltérő.
Megkülönböztetésük és szelektív előállításuk különösen fontos feladat a gyógyszergyártásban, hiszen nekünk, homokiralitású embereknek az egyik változat gyógyító hatású, a másik mérgező is lehet. Ez a probléma okozta a Contergan-ügyként elhíresült esetet is: Németországban 1958 és 1961 között 12 ezer gyerek született végtaghiánnyal a hibás gyógyszer miatt.
A kiralitás felismerésére napjainkban a legelterjedtebb módszer a jobbra illetve a balra cirkulárisan polarizált fény elnyelődésében tapasztalható különbségnek, az úgynevezett cirkuláris dikroizmusnak a meghatározása. Bordács Sándor és munkatársai kimutatták, hogy mágneses anyagok esetén az elektronok impulzus momentuma, azaz spinje is eredményezhet kiralitást, ami jelentős cirkuláris dikroizmussal jár együtt, magyarul a két tükörkép teljesen máshogy veri vissza a polarizált fényt.
Eredményük kitágítja az ismert optikai jelenségek körét újabb lehetőséget adva a két királis forma megkülönböztetésére. A felfedezést az ultra gyors, femtoszekundumos lézerrel keltett, terahertz frekvenciájú elektromágneses sugárzás alkalmazása tette lehetővé. A kutatók által vizsgált speciális mágneses anyag különlegessége, hogy külső mágneses tér alkalmazásával a jobb- és balkezes módosulatai egymásba alakíthatók, szemben a szerves molekulák szerkezetből adódó kiralitásával.
A tanulmány felhívja a figyelmet egy új optikai effektusra is, a magneto-királis dikroizmusra, amely kizárólag királis mágneses anyagokban figyelhető meg. Az ilyen kristályok úgynevezett optikai egyenirányítóként működhetnek, hiszen a mágnesezettséggel párhuzamosan, egymással ellentétes irányban terjedő fénynyalábok esetén az egyiket a kristály elnyeli, míg a másik gyengítés nélkül halad tovább. A mágneses tér megfordításával az elnyelő és az átlátszó terjedési irányok felcserélhetők. A kutatók által megfigyelt, szokatlanul erős, közel száz százalékos magneto-királis effektus ígéretes mérföldkő az ilyen anyagok mágneses térrel kapcsolható optikai egyenirányítóként történő alkalmazásában.
A tudományos munka Kézsmárki István és Yoshinori Tokura (Tokiói Egyetem) koordinálásával zajlott.