Излучение сверхбыстрых точечных диполей, равномерно движущихся вблизи хиральных сред

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.

1. Будкер Г.И. Ускорители со встречными пучками частиц. УФН. 1966;89(4):533−547. https://doi.org/10.3367/UFNr.0089.196608a.0533

2. Гинзбург В.Л. Теоретическая физика и астрофизика. М.: Наука; 1975. 414 с.

3. Пайнс Д. Элементарные возбуждения в твердых телах. M.: Мир; 1965. 382 c.

4. García de Abajo F.J. Optical excitations in electron microscopy. Rev. Mod. Phys. 2010;82(1):209−275. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.209

5. Ritchie R.H. Plasma losses by fast electrons in thin films. Phys. Rev. 1957;106(5):874−881. https://doi.org/10.1103/PhysRev.106.874

6. García 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/nn405367e

7. Агранович В.М. Теория экситонов. М.: Наука; 1968. 382 c.

8. Aigrain P. Les «Helicons» dans les semiconducteurs. In: Рrос. Int. Conf. on Semiconduction Phys. Prague; 1960, p. 224.

9. Константинов О.В., Перель В.И. О возможности прохождения электромагнитных волн через металл в сильном магнитном поле. ЖЭТФ. 1960;38(1):161−164.

10. 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.7.339

11. Liu 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.78.201403

12. ΜахfieId В.W. Helicon waves in solids. Amer. J. Phys. 1969;37(3):241−269. https://doi.org/10.1119/1.1975500

13. Stenzel R.L., Urrutia J.M. Helicons in unbounded plasmas. Phys. Rev. Lett. 2015;114(20):205005. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.205005

14. Kung 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.1813514116

15. 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-y

16. Jirgensons В. Optical rotatory dispersion of proteins and other macromolecues: 2nd ed. Berlin: Springer; 1973. 168 p. ISBN 978-3-642-87713-1

17. Gilroy 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.9b02791

18. Koch 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.82.201413

19. Shin 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/10.1063/1.3630230

20. Piazza 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/ncomms7407

21. Zhou 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.2011.252

22. Song 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.6b00566

23. Lu 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.33.001842

24. Kelly 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.8b03634

25. Пастер Л. Избранные труды: в 2 т.: Пер. с фр.; под ред. А.А.Имшенецкого. М.: Изд-во АН СССР; 1960. Т. 1. С. 9−48

26. Поннамперума С. Происхождение жизни: Пер. с англ.; под ред. Г.А. Деборина. М.: Мир; 1977. 176 с.

27. Fox S., Dose K. Molecular evolution and the origin of life. Washington: Freeman and Co.; 1972. 360 p.

28. Ponnamperuma C. Primordial organic chemistry and the origin of life. Quart. Rev. Biophys. 1971;4(2−3):77−106. https://doi.org/10.1017/S0033583500000603

29. Ρуттен Μ. Происхождение жизни: Пер. с англ.; под ред. А. И. Опарина. М.: Мир; 1973. 412 с.

30. Брода Э. Эволюция биоэнергетических процессов: пер. с англ.; под ред. А.И. Опарина. М.: Мир; 1978. 304 с.

31. Твердислов В.А. Хиральность как первичный переключатель иерархических уровней в молекулярно-биологичеcких системах. Биофизика. 2013;58(1):159−164.

32. Гинзбург В.Л., Эйдман В.Я. О черенковском излучении дипольных моментов. ЖЭТФ. 1959;35(6):1508−1512.

33. Барсуков К.А., Каданцев В.Н. Об особенностях в излучении точечных диполей, движущихся в узких полостях в магнитоактивных средах. ЖТФ. 1965;35(9):1606.

34. Гинзбург В.Л., Цытович В.Н. Переходное излучение и переходное рассеяние: некоторые вопросы теории. М.: Наука; 1984. 360 с.

35. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука; 1967. 683 c.

36. Кизель В.А. Физические причины диссимметрии живых систем. М.: Наука, 1985. 119 c.

37. 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.0003

38. Даванков В.А. Естественная гомохиральность элементарных частиц и метеоритная бомбардировка как возможный источник добиологической молекулярной хиральности. Журн. физ. химии. 2009;83(8):1405−1416.

39. Globus N., Blandford R.D. The chiral puzzle of life. Astrophys. J. Lett. 2020;895(1):L11. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab8dc6