Фото. Изображение кристалла лизоцима, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Автор: д-р Шира Йохелис и Наама Горен из центра HUJI Nano

Под руководством Наамы Горен и профессора Йосси Палтиеля с кафедры прикладной физики и Наноцентра, а также профессора Нира Керена и Одеда Ливны из Института наук о жизни Еврейского университета группа учёных обнаружила, что в некоторых биологических кристаллах, таких как лизоцим (фермент, обнаруженный во многих живых организмах), электроны и протоны тесно связаны.

Транспорт протонов имеет решающее значение для многих жизненных процессов, например, для того, как клетки вырабатывают энергию. До сих пор считалось, что протоны перемещаются в основном путем прыжков между молекулами воды и аминокислотами. Но новое исследование показывает, что это движение также связано со спином электронов — квантовым свойством, которое описывает, как электроны ведут себя как крошечные магниты.

Рис. Схематическая модель. Транспорт протонов сопровождается электронной поляризацией в хиральных средах. Из-за эффекта CISS эта электрическая поляризация производит спиновую поляризацию. Сохранение углового момента генерирует хиральные фононы, которые усиливают перенос протонов. Кредит: Наама Горен

Было продемонстрировано, что при введении в кристаллы лизоцима электронов с определенным спином значительно меняется скорость перемещения протонов через материал. При введении электронов с противоположным спином движение протонов заметно затруднялось. Этот эффект связан с возбуждением хиральных фононов — колебаний в кристаллической решетке, — которые опосредуют связь между спином электрона и подвижностью протонов.

Это открытие связано с явлением, известным как эффект селективности хирального индуцированного спина (CISS), который объясняет, как хиральные (или «рукообразные») молекулы — молекулы, имеющие определенную закрутку или форму — по-разному взаимодействуют со спинами электронов.