Chiral rotational dynamics in the molecular frame: Breaking symmetry with angular momentum

La quiralidad es una propiedad fundamental del universo, que describe objetos que no pueden superponerse a sus imágenes especulares, tal como una mano izquierda no puede encajar perfectamente en un guante para la mano derecha. En el mundo molecular, esta "lateralidad" suele provenir de la disposición estática de los átomos dentro de una molécula. Sin embargo, aunque la quiralidad estática verdadera es bien comprendida, una forma más elusiva llamada quiralidad "falsa" o de tiempo impar involucra sistemas donde la dirección del movimiento mismo define la lateralidad. Este tipo de quiralidad cambia si se invirtiera el tiempo, lo que la convierte en un estado fugaz y transitorio. Comprender cómo crear y detectar esta lateralidad dinámica en moléculas que son normalmente simétricas y aquirales ha sido un desafío significativo, particularmente porque requiere romper simetrías específicas sin obligar a las moléculas a alinearse en una sola dirección.

Un equipo de investigadores de la Freie Universität Berlin ha propuesto ahora un método para generar esta lateralidad dinámica en moléculas aquirales mediante la manipulación de su rotación. En lugar de intentar alinear las moléculas en sí, sugieren orientar el momento angular de la molécula —la medida de su movimiento de rotación— a lo largo de un eje específico dentro de la propia estructura de la molécula. Al hacer esto, una molécula aquiral puede comportarse como si fuera quiral durante un breve periodo. Los investigadores demuestran que esto se puede lograr golpeando las moléculas con una secuencia precisa de pulsos electromagnéticos. Su trabajo, detallado en un nuevo estudio, describe las condiciones exactas necesarias para romper la simetría de una molécula en rotación y proporciona una forma de detectar esta lateralidad inducida mediante el dicroísmo circular de fotoelectrones, una técnica que mide cómo se expulsan los electrones de la molécula.

El núcleo de este descubrimiento reside en la relación entre la forma de una molécula y su espín. Para que una molécula se vuelva dinámicamente quiral, su rotación debe ocurrir alrededor de un eje que rompa su simetría de espejo interna. Los investigadores descubrieron que el simple hecho de hacer girar una molécula no es suficiente; el espín debe estar orientado de una manera específica en relación con el propio marco de referencia de la molécula. Para lograr esto, determinaron que un solo pulso de luz o radiación es insuficiente. En su lugar, la molécula debe ser golpeada por al menos tres pulsos de energía electromagnética, cada uno polarizado en una dirección perpendicular a los otros. Esta "patada" tridimensional es necesaria para romper simultáneamente la simetría continua del espacio y la simetría interna de la molécula, forzando al momento angular a alinearse a lo largo de un eje molecular específico.

El equipo exploró dos métodos distintos para entregar esta patada tridimensional. El primer método consiste en utilizar tres pulsos de microondas. En sus simulaciones, aplicaron esta técnica a una molécula llamada cloruro de carbonilo y fluoruro. Al utilizar tres pulsos de microondas con polarizaciones mutuamente ortogonales, lograron crear con éxito un paquete de ondas coherente donde la rotación de la molécula oscila entre estados de mano izquierda y mano derecha. La dirección de esta oscilación podía controlarse simplemente cambiando el tiempo o el orden de los pulsos. Este enfoque genera una quiralidad que cambia de sentido rápidamente hacia adelante y hacia atrás, pero es una demostración clara de que la lateralidad puede inducirse y controlarse.

El segundo método, que los investigadores sugieren es quizás más práctico para ciertas aplicaciones, utiliza una combinación de pulsos ópticos y de terahercios. En este escenario, simularon el efecto en moléculas de formaldehído. Aquí, se utilizaron dos pulsos cortos de luz visible y un pulso de terahercios para inducir una rotación unidireccional. A diferencia del método de microondas, donde la lateralidad oscila, esta técnica crea un estado donde la molécula gira en una sola dirección con una lateralidad persistente incluso después de que los pulsos han pasado. Las simulaciones mostraron que esta quiralidad inducida podía alcanzar una fuerza de aproximadamente el 11 por ciento durante la secuencia de pulsos, estabilizándose en un nivel detectable de alrededor del 0,5 por ciento después. Este estado persistente es significativo porque imita el comportamiento de las moléculas verdaderamente quirales, pero es generado enteramente a través del movimiento en una molécula que es naturalmente simétrica.

Para confirmar que esta quiralidad dinámica estaba realmente presente y no era solo una posibilidad teórica, los investigadores propusieron un método de detección específico llamado dicroísmo circular de fotoelectrones. Esta técnica consiste en golpear las moléculas en rotación con un pulso retrasado de luz ultravioleta extrema para desprender electrones. Los investigadores encontraron que la dirección en la que estos electrones salen disparados depende directamente de la lateralidad de la rotación de la molécula. Si la molécula está girando de una manera "zurda", los electrones se expulsan preferentemente en una dirección; si está girando de forma "diestra", vuelan en la otra dirección. Sus simulaciones confirmaron que esta señal es lo suficientemente sensible como para detectar la quiralidad puramente rotacional y de tiempo impar que crearon, distinguiéndola claramente del ruido de fondo de un gas orientado al azar.

El estudio descarta explícitamente la idea de que un solo pulso o un simple alineamiento de moléculas sea suficiente para crear este efecto. Argumenta que, sin la combinación específica de tres campos ortogonales, la simetría del sistema permanece sin romper y no se puede generar ninguna lateralidad neta en un gas de moléculas orientadas al azar. Además, los investigadores enfatizan que este enfoque no requiere que las moléculas estén fijas en un lugar o alineadas en una dirección específica en el laboratorio, lo cual ha sido un obstoráculo importante en intentos previos de estudiar tales fenómenos. Al trabajar con la rotación interna de las moléculas en lugar de su posición externa, el método abre un nuevo camino para investigar cómo el movimiento por sí solo puede dictar el comportamiento químico.

Este trabajo sugiere una nueva forma de distinguir entre la quiralidad estructural, que está integrada en los átomos, y la quiralidad dinámica, que es creada por cómo se mueven esos átomos. Ofrece una herramienta potencial para estudiar fenómenos quiropticos de tiempo impar, que son efectos que dependen de la dirección del tiempo. Aunque los resultados presentados se basan en simulaciones por computadora, los investigadores señalan que el equipo necesario para realizar estos experimentos —generadores de microondas, láseres ópticos y fuentes de terahercios— ya está disponible. Si estas simulaciones pueden realizarse en un laboratorio, proporcionaría un nuevo marco poderoso para controlar las interacciones moleculares a través de la rotación, lo que potencialmente conduciría a nuevas formas de separar moléculas de imagen especular o de dirigir reacciones químicas que de otro modo producirían una mezcla aleatoria de ambas formas.