В конце 1990-х химики Рон Нааман и Дэвид Уолдек изучали, как электроны рассеиваются на хиральных молекулах. Ранние эксперименты в газовой фазе показывали крошечные различия — меньше 0,01% — когда спинированные электроны сталкивались с лево- или правосторонними молекулами. Эффект был настолько слабым, что многие посчитали его незначительным.

Но в 1999 году ученые изменили подход: вместо отдельных молекул они создали упорядоченные пленки из хиральных соединений и измерили, как фотоэлектроны проходят через них. Результат ошеломил — асимметрия выросла до 10-20%, в тысячу раз больше ожидаемого. Оказалось, что электроны с разными спинами по-разному проходят через хиральные структуры.

Этот феномен, названный CISS (хирально-индуцированная спиновая селективность), до сих пор не разгадан. Он встречается в природе повсюду: от фотосинтеза до клеточного дыхания. Но почему спины электронов так реагируют на молекулярную «закрученность» — загадка.

CISS (Chiral-Induced Spin Selectivity) — явление, при котором хиральные молекулы (те, что имеют «зеркально несимметричную» структуру, как правая и левая руки) избирательно пропускают электроны в зависимости от направления их спина (внутреннего вращения).

Теперь команда Джереми Леви из Питтсбургского университета создала платформу, которая может помочь в ее решении. Они научились «рисовать» наноструктуры в виде спиралей на границе оксидов лантана-алюминия и стронция-титаната. Эти искусственные хиральные системы позволяют изучать квантовые эффекты в контролируемых условиях.

Результаты опубликованы в издании Science Advances.

Что обнаружили

• Неожиданное спаривание электронов — оно сохраняется даже в мощных магнитных полях (до 18 Тесла).
• Странные колебания проводимости — их амплитуда превышает квантовый предел, что указывает на новый тип интерференции.

Теоретики предполагают, что спиральная структура создает эффективное магнитное поле, которое «привязывает» спин электрона к его движению. Это похоже на гипотезы о механизме CISS в биомолекулах.

Но есть нюансы:

• Система работает при сверхнизких температурах, а в живой природе CISS проявляется при комнатной.
• Вместо органики используются неорганические материалы.

Тем не менее, такой подход дает уникальную возможность проверять теории, которые раньше оставались чисто умозрительными.

Реальная выгода может быть в нескольких областях:

• Квантовые технологии — если научиться управлять спинами через хиральность, можно создать новые типы спинтронных устройств.
• Биомедицина — понимание CISS поможет улучшить методы доставки лекарств или даже объяснить, почему некоторые молекулы в организме работают избирательно.
• Материаловедение — искусственные хиральные структуры могут стать основой для сверхпроводников нового поколения.

Главная слабость работы — слишком большая дистанция между искусственной системой и реальными биомолекулами. CISS в природе возникает в «шумных» условиях, а эксперимент проводится в идеализированной среде. Пока неясно, насколько обнаруженные эффекты переносимы на живые системы.

Ранее ученые добились сохранения квантовых эффектов при комнатной температуре.