mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2021-9-3-24-39mireabulletin-325Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSИзлучение сверхбыстрых точечных диполей, равномерно движущихся вблизи хиральных средThe radiation from ultrafast point dipoles, moving uniformly near chiral mediahttps://orcid.org/0000-0001-9205-6527КаданцевВ. Н.KadantsevV. N.

Каданцев Василий Николаевич, д.ф.-м.н., профессор кафедры биокибернетических систем и технологий Института кибернетики

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Vasiliy N. Kadantsev, Dr. Sci. (Phys.–Math.), Professor, Department of Biocybernetic Systems and Technologies, Institute of Cybernetics

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454 

appl.synergy@yandex.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation202127062021932439Copyright © Каданцев В.Н., 20212021Каданцев В.Н.Kadantsev V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/325

Обсуждаются особенности излучения сверхбыстрых точечных сгустков заряженных частиц, равномерно движущихся вблизи границ раздела с гиротропной средой. Показано, что некоторые типы электромагнитных излучений – переходное и/или черенковское излучение, обладают характеристиками суперхиральных полей и, следовательно, могут быть эффективно использованы для исследования хиральных структур (например, для обнаружения кругового дихроизма, частотных характеристик показателей преломления), различных материалов и, в том числе, биоматериалов. Сверхбыстрые (релятивистские) частицы могут служить «инструментом» не только для изучения структуры различных материалов, но и использоваться в качестве «генераторов» квазичастиц, определяющих «динамические» свойства исследуемых материалов, а также особенностей их взаимодействия с излучениями различной природы и отклика на внешние воздействия. В работе рассматриваются некоторые типы циркулярно-поляризованных ЭМ-волн, распространяющихся в оптически активных (магнитоактивных, естественноактивных, гиротропных и хиральных) средах. С помощью обобщенной теоремы взаимности для сред, характеризуемых эрмитовым тензором диэлектрической проницаемости, рассмотрены переходное и черенковское излучения, возбуждаемые равномерно движущимся сгустком заряженных частиц при пересечении им (или перемещении вдоль) границы раздела сред, одна из которых – оптически активная гиротропная среда. Показано, что суперхиральные электромагнитные поля переходного и черенковского излучений диполей могут служить источником хиральных коллективных возбуждений в магнитоактивных и естественноактивных средах. Исследованные механизмы взаимодействия электромагнитного излучения с хиральными материалами (структурами и средами) – один из возможных физических подходов к решению проблемы возникновения хиральной чистоты биосферы и выяснению фактора дерацемизации органической первобытной среды. Изложена новая гипотеза, предполагающая, что сверхвысокоскоростные сгустки заряженных частиц космического происхождения могут служить причиной дерацемизации предбиосферы.

The article discusses the features of the radiation of ultrafast point clusters of charged particles moving uniformly near a gyrotropic medium interface. It is shown that some types of electromagnetic radiation – transient and/or Cherenkov radiation – have the characteristics of superchiral fields. Therefore, they can be effectively used to study chiral structures (for example, to detect circular dichroism, the frequency characteristics of refractive indices), various materials, including biomaterials. Ultrafast (relativistic) particles can serve as a «tool» not only for studying the structure of various materials. They can also be used as «generators» of quasiparticles that determine the «dynamic» properties of the materials under study, as well as the features of their interaction with radiation of various nature and response to external influences. In this paper, some types of circularly polarized EM waves propagating in optically active (magnetoactive, naturally active, gyrotropic, and chiral) media are considered. Using the generalized reciprocity theorem for media characterized by the Hermitian permittivity tensor, we consider the transient and Cherenkov radiation excited by a uniformly moving bunch of charged particles when it crosses (or moves along) the interface of media, one of which is an optically active gyrotropic medium. It is shown that the superchiral electromagnetic fields of the transition and Cherenkov radiation of dipoles can serve as a source of chiral collective excitations in magnetoactive and naturally active media. The investigated mechanisms of interaction of electromagnetic radiation with chiral materials (structures and media) are one of the possible physical approaches to solving the problem of the chiral purity of the biosphere and to elucidate the factor of deracemization of the organic primeval environment. A new hypothesis is presented, suggesting that ultra-high-speed clumps of charged particles of cosmic origin can cause deracemization of the prebiosphere.

теорема взаимностимагнитоактивная средачеренковское излучениепереходное излучениегеликонхиральностьквазичастицыдерацемизацияremote sensing of the Earthspacecraftimages of Earth landscapesmathematical modelcompensation of kinematic image blurringangular velocityReferencesБудкер Г.И. Ускорители со встречными пучками частиц. УФН. 1966;89(4):533−547. https://doi.org/10.3367/UFNr.0089.196608a.0533Budker G.I. Accelerators with colliding particle beams. Sov. Phys. Usp. 1967;9:534−542. https://doi.org/10.1070%2FPU1967v009n04ABEH003010 [Budker G.I. Uskoriteli so vstrechnymi puchkami chastits. UFN. 1966;89(4):533−547 (in Russ.).]Гинзбург В.Л. Теоретическая физика и астрофизика. М.: Наука; 1975. 414 с.Ginzburg V.L. Teoreticheskaya fizika i astrofizika (Theoretical physics and astrophysics). Мoscow: Nauka; 1975. 441 p. (in Russ.).Пайнс Д. Элементарные возбуждения в твердых телах. M.: Мир; 1965. 382 c.Pines D. Elementary excitations in solids. University of Illinois; 1961. 320 p. [Pains D. Elementarnye vozbuzhdeniya v tverdykh telakh. Moscow: Mir; 1965. 382 p. (in Russ.).]García de Abajo F.J. Optical excitations in electron microscopy. Rev. Mod. Phys. 2010;82(1):209−275. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.209García de Abajo F.J. Optical excitations in electron microscopy. Rev. Mod. Phys. 2010;82(1):209−275. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.209Ritchie R.H. Plasma losses by fast electrons in thin films. Phys. Rev. 1957;106(5):874−881. https://doi.org/10.1103/PhysRev.106.874Ritchie R.H. Plasma losses by fast electrons in thin films. Phys. Rev. 1957;106(5):874−881. https://doi.org/10.1103/PhysRev.106.874García de Abajo F.J. Multiple excitation of confined graphene plasmons by single freeelectrons. ACS Nano. 2013;7(12):11409−11419. https://doi.org/10.1021/nn405367eGarcía de Abajo F.J. Multiple excitation of confined graphene plasmons by single freeelectrons. ACS Nano. 2013;7(12):11409−11419. https://doi.org/10.1021/nn405367eАгранович В.М. Теория экситонов. М.: Наука; 1968. 382 c.Agranovich V.M. Teoriya eksitonov (Theory of excitons). Moscow: Nauka; 1968. 382 p. (in Russ.).Aigrain P. Les «Helicons» dans les semiconducteurs. In: Рrос. Int. Conf. on Semiconduction Phys. Prague; 1960, p. 224.Aigrain P. Les «Helicons» dans les semiconducteurs. In: Рrос. Int. Conf. on Semiconduction Phys. Prague; 1960, p. 224.Константинов О.В., Перель В.И. О возможности прохождения электромагнитных волн через металл в сильном магнитном поле. ЖЭТФ. 1960;38(1):161−164.Konstantinov O.V., Perel’ V.I. Possible transmission of electromagnetic waves through a metal in a strong Magnetic Field. JETP. 1960;11(1):117−119. [KonstantinovO.V., Perel’V.I. O vozmozhnosti prokhozhdeniya elektromagnitnykh voln cherez metall v sil’nom magnitnom pole. ZhETF. 1960;38(1):161−164 (in Russ.).]Bowers R., Legendy C., Rose F. Oscilatory galvanomagnetic effect in metallic Sodium.Phys. Rev. Letts. 1961;7(9):339−341. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.7.339Bowers R., Legendy C., Rose F. Oscilatory galvanomagnetic effect in metallic Sodium.Phys. Rev. Letts. 1961;7(9):339−341. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.7.339Liu Y., Willis R.F., Emtsev K.V., Seyller T. Plasmon dispersion and damping in electrically isolated two-dimensional charge sheets. Phys. Rev. B. 2008;78(20):201403. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.201403Liu Y., Willis R.F., Emtsev K.V., Seyller T. Plasmon dispersion and damping in electrically isolated two-dimensional charge sheets. Phys. Rev. B. 2008;78(20):201403. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.201403ΜахfieId В.W. Helicon waves in solids. Amer. J. Phys. 1969;37(3):241−269. https://doi.org/10.1119/1.1975500ΜахfieId В.W. Helicon waves in solids. Amer. J. Phys. 1969;37(3):241−269. https://doi.org/10.1119/1.1975500Stenzel R.L., Urrutia J.M. Helicons in unbounded plasmas. Phys. Rev. Lett. 2015;114(20):205005. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.205005Stenzel R.L., Urrutia J.M. Helicons in unbounded plasmas. Phys. Rev. Lett. 2015;114(20):205005. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.205005Kung H.-H., Goyal A.P., Maslov D.L., Wang X., Lee A., Kemper A., Cheong S.-W., Blumberg G.E. Observation of chiral surface excitons in a topological insulator Bi 2Se3. In: PNAS. 2019;116(10):4006−4011. https://doi.org/10.1073/pnas.1813514116Kung H.-H., Goyal A.P., Maslov D.L., Wang X., Lee A., Kemper A., Cheong S.-W., Blumberg G.E. Observation of chiral surface excitons in a topological insulator Bi2Se3. In: PNAS. 2019;116(10):4006−4011. https://doi.org/10.1073/pnas.1813514116.Ciarrocchi A., Unuchek D., Avsar A., et al. Polarization switching and electrical control of interlayer excitons in twodimensional van der Waals heterostructures. Nature Photon. 2019;13(2):131−136. https://doi.org/10.1038/s41566-018-0325-yCiarrocchi A., Unuchek D., Avsar A., et al. Polarization switching and electrical control of interlayer excitons in twodimensional van der Waals heterostructures. Nature Photon. 2019;13(2):131−136. https://doi.org/10.1038/s41566-018-0325-yJirgensons В. Optical rotatory dispersion of proteins and other macromolecues: 2nd ed. Berlin: Springer; 1973. 168 p. ISBN 978-3-642-87713-1Jirgensons В. Optical rotatory dispersion of proteins and other macromolecues: 2nd ed. Berlin: Springer; 1973. 168 p. ISBN 978-3-642-87713-1Gilroy C., Hashiyada S., Endo K., Karimullah A.S., Barron L.D., Okamoto H., Togawa Y., Kadodwala M. Roles of superchirality and interference in chiral plasmonic Biodetection.J. Phys. Chem. C. 2019;123(24):15195−15203. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b02791Gilroy C., Hashiyada S., Endo K., Karimullah A.S., Barron L.D., Okamoto H., Togawa Y., Kadodwala M. Roles of superchirality and interference in chiral plasmonic biodetection.J. Phys. Chem. C. 2019;123(24):15195−15203. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b02791Koch R.J., Seyller T., Schaefer J.A. Strong phononplasmon coupled modes in the graphene/silicon carbide heterosystem. Phys. Rev. B. 2010;82(20):201413. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.201413Koch R.J., Seyller T., Schaefer J.A. Strong phononplasmon coupled modes in the graphene/silicon carbide heterosystem. Phys. Rev. B. 2010;82(20):201413. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.201413Shin S.Y., Kim N.D., Kim J.G., Kim K.S., Noh D.Y., Kim K.S., Chung J.W. Control of the π plasmon in a single layer graphene by charge doping. Appl. Phys. Lett. 2011;99(8):082110. https://doi.org/10.1063/1.3630230Shin S.Y., Kim N.D., Kim J.G., Kim K.S., Noh D.Y., Kim K.S., Chung J.W. Control of the π plasmon in a single layer graphene by charge doping. Appl. Phys. Lett. 2011;99(8):082110. https://doi.org/10.1063/1.3630230Piazza L., Lummen T.T.A., Quiñonez E., Murooka Y., Reed B.W., Barwick B., Carbone F. Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field. Nat. Commun. 2015;6:6407. https://doi.org/10.1038/ncomms7407Piazza L., Lummen T.T.A., Quiñonez E., Murooka Y., Reed B.W., Barwick B., Carbone F. Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field. Nat. Commun. 2015;6:6407. https://doi.org/10.1038/ncomms7407Zhou W., Lee J., Nanda J., Pantelides S.T., Pennycook S.J., Idrobo J.C. Atomically localized plasmon enhancement in monolayer graphene.Nat. Nanotechnol. 2012;7(3):161−165. https://doi.org/10.1038/nnano.2011.252Zhou W., Lee J., Nanda J., Pantelides S.T., Pennycook S.J., Idrobo J.C. Atomically localized plasmon enhancement in monolayer graphene.Nat. Nanotechnol. 2012;7(3):161−165. https://doi.org/10.1038/nnano.2011.252Song J., Zhang L., Xue Y., Wu Xia F., Zhang C., Zhong Y.-L., Zhang Y., Teng J., Premaratne M., Qiu Bao Q. Efficient excitation of multiple plasmonic modes on three-dimensional graphene: An unexplored dimension. ACS Photonics. 2016;3(10):1986−1992. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6b00566Song J., Zhang L., Xue Y., Wu Q.Y.S., Xia F., Zhang C., Zhong Y.-L., Zhang Y., Teng J., Premaratne M., Qiu C.-W., Bao Q. Efficient excitation of multiple plasmonic modes on three-dimensional graphene: An unexplored dimension. ACS Photonics. 2016;3(10):1986−1992. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6b00566Lu Y., Song J., Yuan J., Zhang L., Wu Q.Y.S., Yu W., Zhao M., Qiu C.-W., Teng J., Loh K.P., Zhang C., Bao Q. Highly efficient plasmon excitation in graphene-Bi2Te3 heterostructure.J. Opt. Soc. Am.B. 2016;33(9):1842−1846. https://doi.org/10.1364/JOSAB.33.001842Lu Y., Song J., Yuan J., Zhang L., Wu Q.Y.S., Yu W., Zhao M., Qiu C.-W., Teng J., Loh K.P., Zhang C., Bao Q. Highly efficient plasmon excitation in graphene-Bi2Te3 heterostructure.J. Opt. Soc. Am.B. 2016;33(9):1842−1846. https://doi.org/10.1364/JOSAB.33.001842Kelly C., Tullius R., Lapthorn A.J., Gadegaard N., Cooke G., Barron L.D., Karimullah A.S., Rotello V.M., Kadodwala M. Chiral plasmonic fields probe structural order of biointerfaces. J. Am. Chem. Soc. 2018;140(27):8509−8517. https://doi.org/10.1021/jacs.8b03634Kelly C., Tullius R., Lapthorn A.J., Gadegaard N., Cooke G., Barron L.D., Karimullah A.S., Rotello V.M., Kadodwala M. Chiral plasmonic fields probe structural order of biointerfaces. J. Am. Chem. Soc. 2018;140(27):8509−8517. https://doi.org/10.1021/jacs.8b03634Пастер Л. Избранные труды: в 2 т.: Пер. с фр.; под ред. А.А.Имшенецкого. М.: Изд-во АН СССР; 1960. Т. 1. С. 9−48Paster L. Izbrannye trudy: v 2 t. (Selected works: in 2 v.). Imshenetskii A.A. (Ed.). Moscow: Izdatel’stvo AN SSSR; 1960. V 1. P. 9−48. (in Russ.).Поннамперума С. Происхождение жизни: Пер. с англ.; под ред. Г.А. Деборина. М.: Мир; 1977. 176 с.Ponnamperuma S. Proiskhozhdenie zhizni (The origin of life). Deborin G.A. (Ed.). Moscow: Mir; 1977. 176 р. (in Russ.).Fox S., Dose K. Molecular evolution and the origin of life. Washington: Freeman and Co.; 1972. 360 p.Fox S., Dose K. Molecular evolution and the origin of life. Washington: Freeman and Co.; 1972. 360 p.Ponnamperuma C. Primordial organic chemistry and the origin of life. Quart. Rev. Biophys. 1971;4(2−3):77−106. https://doi.org/10.1017/S0033583500000603Ponnamperuma C. Primordial organic chemistry and the origin of life. Quart. Rev. Biophys. 1971;4(2−3):77−106. https://doi.org/10.1017/S0033583500000603Ρуттен Μ. Происхождение жизни: Пер. с англ.; под ред. А. И. Опарина. М.: Мир; 1973. 412 с.Rutten Μ. Proiskhozhdenie zhizni (The origin of life). Oparin A.I. (Ed.). Moscow: Mir; 1973. 412 р. (in Russ.).Брода Э. Эволюция биоэнергетических процессов: пер. с англ.; под ред. А.И. Опарина. М.: Мир; 1978. 304 с.Broda E. Evolyutsiya bioenergeticheskikh protsessov (Evolution of bioenergetic processes). Oparin A.I. (Ed.). Moscow: Mir; 1978. 304 р. (in Russ.).Твердислов В.А. Хиральность как первичный переключатель иерархических уровней в молекулярно-биологичеcких системах. Биофизика. 2013;58(1):159−164.Tverdislov V.A. Chirality as a primary switch of hierarchical levels in molecular biological systems. Biophysics. 2013;58(1):128−131. https://doi.org/10.1134/S000635091301015632 [Tverdislov V.A. Khiral’nost’ kak pervichnyi pereklyuchatel’ ierarkhicheskikh urovnei v molekulyarno-biologicheckikh sistemakh. Biofizika. 2013;58(1):159−164 (in Russ.).]Гинзбург В.Л., Эйдман В.Я. О черенковском излучении дипольных моментов. ЖЭТФ. 1959;35(6):1508−1512.Ginzburg V.L., Eidman V.Ia. Cerenkov radiation from dipoles. JETP. 1959;8(6):1055−1058. [Ginzburg V.L., Eidman V.Ya. O cherenkovskom izluchenii dipol’nykh momentov. ZhETF. 1959;35(6):1508−1512 (in Russ.).]Барсуков К.А., Каданцев В.Н. Об особенностях в излучении точечных диполей, движущихся в узких полостях в магнитоактивных средах. ЖТФ. 1965;35(9):1606.Barsukov K.A., Kadantsev V.N. Ob osobennostyakh v izluchenii tochechnykh dipolei, dvizhushchikhsya v uzkikh polostyakh v magnitoaktivnykh sredakh. Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki = Technical Physics. 1965;35(9):1606 (in Russ.).Гинзбург В.Л., Цытович В.Н. Переходное излучение и переходное рассеяние: некоторые вопросы теории. М.: Наука; 1984. 360 с.Ginzburg V.L., Tsytovich V.N. Perekhodnoe izluchenie i perekhodnoe rasseyanie: nekotorye voprosy teorii (Transition radiation and transition scattering: some theoretical questions). Moscow: Nauka; 1984. 360 p. (in Russ.).Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука; 1967. 683 c.Ginzburg V.L. Rasprostranenie elektromagnitnykh voln v plazme (Propagation of electromagnetic waves in plasma). Moscow: Nauka; 1967. 683 p. (in Russ.).Кизель В.А. Физические причины диссимметрии живых систем. М.: Наука, 1985. 119 c.Kizel’ V.A. Fizicheskie prichiny dissimmetrii zhivykh sistem (Physical reasons for the dissymmetry of living systems). Moscow: Nauka; 1985. 119 p. (in Russ.).Гольданский В.И., Кузьмин В.В. Спонтанное нарушение зеркальной симметрии в природе и происхождение жизни. УФН. 1989;157(1):3−50. https://doi.org/10.3367/UFNr.0157.198901a.0003Gol’danskii V.I., Kuz’min V.V. Spontaneous breaking of mirror symmetry in nature and the origin of life. Sov. Phys. Usp. 1989;32(1):1−29. https://doi.org/10.1070%2FPU1989v032n01ABEH002674 [Gol’danskii V.I., Kuz’min V.V. Spontannoe narushenie zerkal’noi simmetrii v prirode i proiskhozhdenie zhizni. UFN. 1989;157(1):3−50 (in Russ.).]Даванков В.А. Естественная гомохиральность элементарных частиц и метеоритная бомбардировка как возможный источник добиологической молекулярной хиральности. Журн. физ. химии. 2009;83(8):1405−1416.Davankov V.A. Inherent homochirality of primary particles and meteorite impacts as possible source of prebiotic molecular chirality. Russ. J. Phys. Chem. 2009;83(8):1247−1256. https://doi.org/10.1134/S0036024409080019 [Davankov V.A. Estestvennaya gomokhiral’nost’ elementarnykh chastits i meteoritnaya bombardirovka kak vozmozhnyi istochnik dobiologicheskoi molekulyarnoi khiral’nosti. Zhurn. fiz. khimii. 2009;83(8):1405−1416 (in Russ.).]Globus N., Blandford R.D. The chiral puzzle of life. Astrophys. J. Lett. 2020;895(1):L11. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab8dc6Globus N., Blandford R.D. The chiral puzzle of life. Astrophys. J. Lett. 2020;895(1):L11. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab8dc6

The authors declare that there are no conflicts of interest present.