用量子精度解开手性分子的秘密

诸平

A new study demonstrates a near-complete control of quantum states in chiral molecules, achieving up to 96% purity. This advancement in molecular physics could profoundly impact our understanding of life’s molecular foundations and the universe’s asymmetries. Credit: FHI https://scitechdaily.com/unlocking-the-secrets-of-chiral-molecules-with-quantum-precision/

据德国马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所(Fritz Haber Institute of the Max Planck Society / Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin, Germany)2024年8月30日提供的消息，用量子精度解开手性分子的秘密(Unlocking the Secrets of Chiral Molecules With Quantum Precision)。

弗里茨·哈伯研究所的研究人员已经实现了手性分子量子态的近乎完全分离，挑战了以前的限制，开辟了分子物理学的新研究方向。相关研究结果于2024年8月28日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站在线发表——JuHyeon Lee, Elahe Abdiha, Boris G. Sartakov, Gerard Meijer, Sandra Eibenberger-Arias. Near-complete chiral selection in rotational quantum states. Nature Communications, 2024, 15, Article number: 7441. DOI: 10.1038/s41467-024-51360-3. Published: 28 August 2024. https://www.nature.com/articles/s41467-024-51360-3

这一突破涉及使用定制的微波场和紫外线辐射，允许96%纯度的量子态控制，这对理解生物同手性（biological homochirality）和基本宇宙对称性（fundamental universe symmetries）具有重要意义。这一发现挑战了先前关于手性分子量子态控制的实际限制的假设，并为分子物理学和其他领域的新研究方向铺平了道路。

对生物系统的基本影响（Fundamental Impact on Biological Systems）

手性分子，以两种不可重叠的镜像形式存在，称为对映体（enantiomers），类似于我们的左手和右手，是生命结构的基础。

控制这些分子及其量子态的能力具有深远的意义，从气相对映体的空间分离到测试关于生命的同手性起源的假设，即生物系统中对一个镜像的偏好。科学史上的“反应停”（Contergan）事件，教训深刻。其有效成分是沙利度胺（thalidomide），它通常为外消旋体，含有一对对映异构体（S）和（R），不同异构体药理作用不同，（R）镇静作用较强，（S）与免疫调节有关，也与致畸有关。沙利度胺事件是世界药物史上最著名的药源性伤害事件，也是世界药物警戒史上一块里程碑，其对全球药品上市前审批和上市后监管相关制度的建设具有重要推动作用。很多人知道沙利度胺，是缘于它上市后引起了海豹肢畸形仓惶退市的故事，但大家却不知道退市多年后，沙利度胺再度“逆袭”，成为了治疗结节性红斑麻风病、多发性骨髓瘤的有效药物。“沙利度胺事情”是现代医学史上的一场浩劫：全球范围内因此产生了1万余例畸形“海豹儿”。

实现近乎完美的量子态控制（Achieving Near-Perfect Quantum State Control）

到目前为止，科学界认为对这些分子量子态的完美控制在理论上是可能的，但实际上是无法实现的。

然而，弗里茨·哈伯研究所的研究小组却证明了事实并非如此。通过创造近乎理想的实验条件，他们已经证明，一种对映体(两种镜像中的一种)的量子态纯度可以达到96%，而另一种对映体的量子态纯度只有4%，这大大接近了100%选择性的目标。

实验技术进展（Advancements in Experimental Techniques）

这一突破是通过使用量身定制的微波场和紫外线辐射来实现的，从而实现了对特定分子的前所未有的控制。

在实验中，一束分子的旋转运动大部分被抑制(冷却到大约比绝对零度高1度的旋转温度)，穿过三个相互作用区域，暴露在共振紫外线和微波辐射下。因此，在分子束实验中，选择的旋转量子态几乎只包含手性分子的选定对映体，这标志着分子束实验的重大进步。

分子物理学的新研究途径（New Research Avenues in Molecular Physics）

这项新实验为研究涉及手性分子的基本物理和化学效应开辟了新的可能性。该团队的方法为探索手性分子中的宇称违反（parity violation）提供了一条新的途径，这是一种理论预测但尚未在实验中观察到的现象。这可能会对我们理解宇宙的基本（不）对称性{universe’s fundamental (a)symmetries}产生深远的影响。

潜在应用和未来研究（Potential Applications and Future Research）

本质上，本研究表明，几乎完全的，对映体特异性的状态转移是可以实现的，并且该方法可以应用于绝大多数手性分子。预计这一发现将为分子物理学开辟重要的新机遇，包括新的研究方法和潜在的应用。

本研究得到了欧洲联盟或欧洲研究理事会{European Union (ERC, COCOCIMO, 101116866)}的资助。

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Abstract

Controlling the internal quantum states of chiral molecules for a selected enantiomer has a wide range of fundamental applications from collision and reaction studies, quantum information to precision spectroscopy. Achieving full enantiomer-specific state transfer is a key requirement for such applications. Using tailored microwave fields, a chosen rotational state can be enriched for a selected enantiomer, even starting from a racemic mixture. This enables rapid switching between samples of different enantiomers in a given state, holding great promise, for instance, for measuring parity violation in chiral molecules. Although perfect state-specific enantiomeric enrichment is theoretically feasible, achieving the required experimental conditions seemed unrealistic. Here, we realize near-ideal conditions, overcoming both the limitations of thermal population and spatial degeneracy in rotational states. We achieve over 92% enantiomer-specific state transfer efficiency using enantiopure samples. This indicates that 96% state-specific enantiomeric purity can be obtained from a racemic mixture, in an approach that is universally applicable to all chiral molecules of C1 symmetry. Our work integrates the control over internal quantum states with molecular chirality, thus expanding the field of state-selective molecular beams studies to include chiral research.