Закрученные электроны научились «видеть» хиральность молекул

Ученые из Международного центра теоретической физики им. А. А. Абрикосова МФТИ показали, что вихревые электроны — частицы с орбитальным угловым моментом — способны различать зеркальные формы молекул по характеру рассеяния. Причем даже в газе, где молекулы ориентированы хаотично. Строгое теоретическое доказательство и первые численные расчеты опубликованы в феврале 2026 года в Physical Review A.\

Хиральность — одно из ключевых свойств молекул живой природы. Многие из них существуют в двух зеркальных формах, как левая и правая перчатки. При этом «правильная» и «зеркальная» версии одного и того же вещества могут вести себя совершенно по-разному.

Классический пример — талидомид: один его энантиомер использовался как лекарство, а другой приводил к тяжелым нарушениям развития. Поэтому умение надежно различать такие формы — критически важная задача для химии, фармакологии и биологии.

Долгое время это было непросто, особенно в газовой фазе. Один из стандартных методов — круговой дихроизм — дает очень слабый сигнал. Существенный прорыв произошел с развитием фотоэлектронного кругового дихроизма (PECD): при облучении молекул циркулярно поляризованным светом вылетающие электроны распределяются в пространстве несимметрично. Этот эффект оказался в сотни раз сильнее.

Причина в том, что сам фотон в таком свете «закручен»: он несет угловой момент и потому чувствителен к хиральности. Возникает естественный вопрос: могут ли электроны играть ту же роль?

В последние годы стало ясно, что да — если речь идет о так называемых вихревых электронах. В отличие от обычных, они обладают орбитальным угловым моментом, то есть их волновая функция «закручена» вокруг оси движения.

Теория таких электронов активно развивается с конца 2010-х годов. Однако до сих пор оставался открытым ключевой вопрос: зависит ли рассеяние вихревых электронов от хиральности молекулы?

Ответ дали исследователи МФТИ. Валентина Коловертнова, Кирилл Базаров и Олег Толстихин построили строгую теорию упругого рассеяния вихревых электронов на хиральных молекулах и провели численные расчеты для конкретной системы.

Результат оказался однозначным: угловое распределение рассеянных электронов зависит как от «закрутки» электрона, так и от типа молекулы. Если одновременно поменять знак орбитального момента электрона и заменить один энантиомер на другой, картина остается прежней. Но если изменить только один из факторов — распределение меняется.

Иначе говоря, система чувствительна именно к относительной «хиральности» двух участников — электрона и молекулы. Это полностью повторяет логику эффекта PECD, но уже для электронного рассеяния.

Расчеты выполнены для молекулы D-глицеральдегида — одного из базовых примеров хиральных соединений. Несмотря на использование упрощенной модели потенциала нулевого радиуса, она корректно учитывает геометрию молекулы и многократное рассеяние.

Отдельный вопрос — можно ли вообще наблюдать такой эффект в реальности. Ведь в газе молекулы ориентированы случайно, и асимметрия, казалось бы, должна исчезнуть при усреднении.

Авторы показали: для бесконечной среды это действительно так. Но для любого конечного объема газа асимметрия сохраняется. Более того, при определенных параметрах пучка она достигает нескольких процентов — величины, сравнимой с эффектами PECD.

«Вихревой электрон, как и циркулярно поляризованный фотон, несет угловой момент. Именно это позволяет ему „чувствовать” хиральность молекулы», — объясняет Олег Толстихин, ведущий научный сотрудник Международного центра теоретической физики им. А. А. Абрикосова, профессор.

По словам Валентины Коловертновой, сотрудника лаборатории теоретической аттосекундной физики МФТИ, наиболее трудоемкой частью работы стало численное усреднение по всем возможным ориентациям молекул. Тем не менее даже после такого усреднения различия между энантиомерами остаются отчетливо видны.

Практическое значение результата — в возможности создать новый метод анализа хиральных молекул. В отличие от оптических подходов, основанных на взаимодействии со светом, здесь используется электронный пучок. Электроны имеют массу и заряд, а значит взаимодействуют с веществом иначе — через кулоновское рассеяние.

Это открывает дополнительный канал зондирования, который может оказаться особенно полезным в случаях, где оптические методы ограничены.

Следующий шаг — переход к более реалистичным моделям молекул и учет неупругих процессов: возбуждения и ионизации. В этих каналах хиральная асимметрия также может проявляться — возможно, даже сильнее.

Работа показывает, что вихревые электроны — не просто экзотический объект квантовой физики, а потенциальный инструмент для решения прикладных задач химии и биофизики.

Источник: В МФТИ выяснили: закрученный электрон может выявить хиральность — За науку