太赫茲之光：革新晶體手性的關鍵突破

研究人員發現了一種利用太赫茲光在非手性材料中誘匯出手性的方法。太赫茲輻射指的是位於微波和紅外光之間頻率範圍的電磁波，通常在0.1到10太赫茲（THz）之間。這個電磁光譜區域因其在成像、通訊和光譜學等多個領域的潛在應用而備受矚目。太赫茲波能夠穿透衣物、紙張和木材等非導電材料，這使其在安全檢查和非破壞性測試方面特別有用。在光譜學中，它們可用於研究物質的分子組成，因為許多分子在太赫茲範圍內展現出獨特的吸收特徵。

這項突破性技術涉及在超快時間尺度上操縱晶格結構，可能會徹底改變超快記憶裝置和光電子學的應用，凸顯了材料特性動態控制方面的重大進展。牛津大學和馬克斯普朗克物質結構與動力學研究所（MPSD）的科學家們發現，太赫茲光可以在天然非手性的晶體中誘匯出手性。這一突破使得晶體能夠按需呈現左旋或右旋形式。他們的研究成果於1月23日發表在《科學》雜誌上，為研究複雜材料及其動態行為開闢了新的可能性。

手性是物質的一個關鍵屬性，在生物、化學和物理過程中起著至關重要的作用。它描述的是那些無法與其映象完美重合的物體，就像我們的左手和右手不同一樣。在手性晶體中，原子的排列方式賦予了材料獨特的「手性」，這會顯著影響晶體與光和電的相互作用等特性。例如，手性固體透過與手性分子和偏振光的獨特相互作用，為催化、感測和光學裝置提供了令人興奮的應用機會。這些特性在材料生長時就已確定，也就是說，左旋和右旋對映體在不經過熔化和再結晶的情況下無法相互轉化。

在此之前，從未有人證明可以用光誘導手性，但這直接源於牛津大學物理系的共同作者保羅·G·拉達埃利教授在2018年做出的一系列理論預測。牛津大學（拉達埃利教授）和馬克斯普朗克學會（卡瓦萊裡教授）的合作促成了一系列先進的實驗，以驗證這一理論。

在這項新研究中，牛津 - 漢堡團隊證實了這一預測，並成功地利用太赫茲光在超快時間尺度上在非手性材料（磷酸硼，BPO₄）中誘匯出手性。首席研究員、牛津大學和MPSD的安德里亞·卡瓦萊裡教授表示：「這一發現為原子層面的物質動態控制開闢了新的可能性。我們很高興看到這項技術的潛在應用，以及它如何用於創造獨特的功能。在非手性材料中誘導手性的能力可能會帶來超快記憶裝置甚至更複雜的光電子平臺的新應用。」

曾志洋是牛津 - 馬克斯普朗克量子材料研究生培訓專案的研究生，由拉達埃利教授和卡瓦萊裡教授共同指導，也是該論文的第一作者。他說：「我們利用了一種稱為非線性聲子學的機制。透過激發特定的太赫茲頻率振動模式，使晶格沿材料中其他模式的坐標位移，我們創造了一種能維持數皮秒的手性狀態。」

共同作者、MPSD的邁克爾·福斯特博士補充道：「值得注意的是，透過將太赫茲光的偏振旋轉90度，我們可以有選擇地誘匯出左旋或右旋手性結構。」拉達埃利教授評論道：「這種方法具有巨大的潛力。我們已經展示了這種效應的磁性類比，即利用光在非磁性材料中產生磁性。我們目前正試圖在超快時間尺度上開啟其他特性，如鐵電性。」

儘管有人擔心產生手性分子的能力可能會對生命構成潛在風險，但在這種情況下，並沒有產生永久性的手性分子。相反，晶體只是在極短的時間內（通常是萬億分之一秒）被誘導成右旋或左旋。

參考文獻：Z. Zeng、M. Först、M. Fechner、M. Buzzi、E. B. Amuah、C. Putzke、P. J. W. Moll、D. Prabhakaran、P. G. Radaelli和A. Cavalleri的《非手性晶體中的光誘導手性》，2025年1月23日，《科學》。DOI: 10.1126/science.adr4713 這項工作得到了德國研究基金會透過卓越叢集「CUI：物質的高階成像」提供的資金支援。MPSD是自由電子雷射科學中心（CFEL）的成員，該中心是與德國電子同步加速器（DESY）和漢堡大學的聯合專案。