Une équipe de recherche internationale a créé une nouvelle structure de la lumière appelée « vortex chiral », marquant une avancée dans notre compréhension même des interactions lumière-matière. Cette structure permet notamment de détecter plus facilement et 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 droitière), chacune étant une image miroir de l’autre. Cette nouvelle forme de lumière est produite en combinant deux faisceaux de lumière avec des 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 en 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 gauchères dans des échantillons contenant presque des quantités égales des deux. Avec notre nouvelle méthode, un minuscule excès de concentration de l’un ou l’autre des jumeaux miroirs peut être détecté, ce qui peut suffire à changer le cours d’une vie », affirme le Dr Nicola Mayer, chercheur postdoctoral à l’Institut Max Born, dans un communiqué de l’université. Les travaux, décrits dans la revue Nature Photonics, ont été réalisés 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).
Des applications en optique et en médecine
Le vortex chiral pourrait être utilisé dans diverses applications optiques, allant des pinces optiques à la manipulation de nanostructures. Par exemple, des faisceaux de vortex circulairement polarisés peuvent tordre des matériaux au niveau moléculaire pour former des nanostructures chirales, transférant ainsi « l’hélicité » de la lumière à la matière, notamment par « écriture directe » par un laser femtoseconde.
En outre, cette nouvelle forme de lumière permet de détecter les 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 en vortex et la grande 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 au cours d’un cycle laser. Cela permet d’obtenir des signaux optiques non linéaires ultrarapides et « enantiosensibles », c’est-à-dire sensibles aux molécules chirales, avec une précision inégalée.
Comprendre le vortex chiral
Cette nouvelle méthode surmonte donc une limitation majeure des faisceaux optiques traditionnels, dont l’échelle spatiale est beaucoup plus grande que celle des molécules chirales. En créant une source de lumière chirale synthétique avec des faisceaux de vortex, les chercheurs peuvent désormais détecter les 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 dans des bits quantiques.
« En se concentrant sur la détection d’un motif rotatif de la lumière émise par les molécules, il est beaucoup plus facile de détecter et d’interpréter des différences mineures dans la chiralité d’échantillons dilués. En outre, la nature tourbillonnaire du faisceau laser que nous avons conçu signifie que les signaux que nous recevons sont robustes face aux écueils courants des expériences de chiralité en laboratoire, comme les fluctuations de l’intensité de la lumière, ce qui permet à un plus grand nombre de personnes d’effectuer ce travail », déclare 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 de taille. La fabrication de sources de lumière capables de produire des vortex chiraux sur une échelle commerciale nécessitera des avancées technologiques pour le moment hors de portée. Cependant, les premières étapes franchies par les équipes de recherche sont très encourageantes.
La robustesse des signaux reçus contre les fluctuations communes dans les expériences de chiralité en laboratoire empêche notamment les erreurs dues aux variations d’intensité de la lumière 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.