Recherche thématique: CHIRALITÉ

Mots-clés

Chiralité ; dichroïsme circulaire ; interactions chirales ; lumière polarisée circulairement ; matériaux chiraux ; moments angulaires orbitaux et de spin ; nanostructures chirales moléculaires ou plasmoniques ; spectroscopies chiroptiques ; spin électronique

L’imbrication entre la chiralité de la lumière et celle de la matière est un nouveau paradigme émergent qui révolutionne actuellement le domaine des interactions lumière-matière et ouvre de toutes nouvelles possibilités pour la conception et la fabrication de matériaux aux propriétés inédites. Les progrès récents vont des spectroscopies chiroptiques avancées, c’est-à-dire l’interaction différente de la lumière polarisée circulairement gauche et droite avec des molécules chirales, capables par exemple de détecter des changements subtils (résolus dans le temps) dans les tissus biologiques après illumination, aux effets chiroptiques renforcés par des nanostructures moléculaires chirales, à la sélectivité de spin induite par la chiralité et à la création d’une lumière chirale exotique présentant une interaction particulière avec la matière. Les nouvelles approches multidisciplinaires visant à produire des matériaux intelligents ou plus écologiques reposeront sur notre capacité à sculpter l’orientation locale de la lumière, à concevoir et à construire des structures chirales innovantes. Cet axe vise à contrôler l’orientation locale de la lumière dans l’espace et le temps, nécessaire au développement de nouvelles approches spectroscopiques ultrarapides qui seront utilisées à leur tour pour créer des états inexplorés de la matière. D’autre part, le contexte théorique permettant de comprendre l’interaction de la matière avec une lumière hautement multiplexée grâce aux moment angulaire de spin du photon (associé à la polarisation de la lumière) ou au moment angulaire orbital (associé au front d’onde torsadé ou hélicoïdal de la lumière), une structure 3D de motifs d’intensité, de phase et de polarisation non triviaux, est encore incomplet et nécessite d’importants développements.

Nouvelles spectroscopies pour explorer la chiralité

Le contrôle des moments angulaires orbitaux et de spin de la lumière et de leur couplage, au-delà des valeurs moyennées dans l’espace et dans le temps, représente un important enjeu expérimental. Des approches instrumentales ultrarapides révolutionnaires, telles que les taux de répétition élevés/la détection hétérodyne, les peignes de fréquence ou le dichroïsme du moment angulaire orbital, seront développées et transférées à une grande variété de systèmes optiques de détection dans le but d’en améliorer la sensibilité. Par exemple, en combinaison avec des approches théoriques récentes, l’amélioration de la sensibilité de la spectroscopie chiroptique telle que le dichroïsme circulaire vibrationnel ou le dichroïsme circulaire photoélectronique sélectif des conformères permettra un criblage plus rapide et efficace des structures chirales à l’état solide, avec des applications dans le domaine du polymorphisme en sciences pharmaceutiques ou de l’agrégation des biomolécules, telles que les peptides impliqués dans les maladies neurodégénératives.

Le LIDAR polarisé, qui exploite l’adressage chiral, bénéficiera pleinement de ce développement pour une détection plus sélective des polluants atmosphériques. La lumière polarisée circulairementtrouve également des applications dans les techniques d’imagerie telles que les mesures de dichroïsme circulaire par génération de seconde harmonique. En raison de leur sensibilité à la matière organique intrinsèquement chirale, les méthodes adaptées aux études patrimoniales sont hautement souhaitables pour comprendre la génération supramoléculaire d’architectures chirales par biominéralisation, ou la perte de chiralité au cours du vieillissement dans les artefacts biologiques et pour la préservation du patrimoine culturel. LUMA fournira donc des techniques et des méthodes de détection transférables qui seront applicables à tous ces domaines qui ont travaillé indépendamment jusqu’à présent.

Encodage de la chiralité lumière-matière

Dans le domaine en plein essor des matériaux chiraux, les structures métallo-organiques, les cristaux liquides et les structures synthétiques telles que les foldamères (polymères hélicoïdaux) permettront de nouvelles applications en matière d’affichage et de stockage de l’information, en combinant des propriétés telles que la fluorescence retardée activée thermiquement et l’émission de lumière polarisée circulairement, ou en présentant une conductivité dépendant de la chiralité. Le développement durable de nouveaux matériaux adaptatifs exige efficacité, codage des propriétés et flexibilité. Ces points clés se trouvent dans les interactions chirales lumière-matière, avec des applications allant des photochromes codant la chiralité de la lumière, jusqu’aux nouveaux états de la matière produits par le régime de couplage fort entre la lumière et la matière. Comprendre l’interaction entre la lumière polarisée circulairement et la matière chirale, par exemple les nano-objets, dans le régime de champ proche, ou les interactions lumière-matière dans le régime de champ fort, sont des questions clés qui attendent des solutions dans ce domaine. La synthèse de structures innovantes est également d’une importance capitale.

Spin électronique et ingénierie topologique avec la lumière chirale

L’effet de sélectivité de spin induit par la chiralité est actuellement un sujet d’actualité, à la fois d’un point de vue fondamental, pour élucider ses mécanismes physiques et dans la perspective d’applications prometteuses dans la synthèse énantiosélective. Cette dynamique sensible au spin pourrait être contrôlée par la lumière chirale, avec des implications attendues dans la bio-reconnaissance, les dispositifs spintroniques basés sur des molécules chirales et des matériaux bidimensionnels, et le contrôle des photoréactions à transfert multiélectronique. Les propriétés chirales hors équilibre induites par la lumière peuvent également être utilisées pour générer des propriétés fonctionnelles dans les solides, telles que des transitions topologiques transitoires, avec des applications allant des dispositifs optiques aux propriétés accordables des matériaux, en passant par l’ingénierie topologique en plein essor, la valléetronique, la twistronique, avec des applications dans le stockage et l’analyse des données.