以光扭轉晶體：瞬間解鎖手性新可能

一項運用太赫茲光的新技術，成功在非手性材料中創造出了手性狀態，為未來的科技應用帶來了令人振奮的可能性。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，通常在大約0.1到10太赫茲（THz）之間。電磁光譜的這個區域因其在眾多領域的潛在應用而備受矚目，包括成像、通訊和光譜學等。太赫茲波能穿透衣物、紙張和木材等非導電材料，使其在安全檢查和非破壞性檢測方面格外有用。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波段呈現出獨特的吸收特徵。

手性是物質的一個關鍵特性，在許多生物、化學和物理過程中扮演著至關重要的角色。在具有手性的固體中，此特性使其能與手性分子和偏振光產生獨特的相互作用，這讓它們在催化、感測和光學器件等應用中頗具價值。然而，這些材料的手性通常在其形成過程中就固定下來了——一旦晶體生長完成，其左旋和右旋形式，即對映異構體，若不經過熔化和再結晶，就無法切換。

如今，馬克斯·普朗克物質結構與動力學研究所（MPSD）和牛津大學的研究人員發現了一種利用太赫茲光在非手性晶體中誘匯出手性的方法。這一突破使他們能夠按需創造出左旋或右旋的對映異構體。此研究成果發表在《科學》雜誌上，為在非平衡條件下研究和控制複雜材料開闢了令人興奮的新途徑。

手性描述的是那些無論如何旋轉或移動，都無法與其映象完美重合的物體。一個常見的例子就是我們的左手和右手之間的差異。在具有手性的晶體中，原子的排列方式賦予了材料特定的手性，這會影響諸如它與光和電的相互作用等性質。

漢堡 - 牛津合作團隊研究了一類特殊的非手性晶體，稱為反鐵手性晶體。這些晶體與反鐵磁性材料類似，在反鐵磁性材料中，磁矩以交錯的模式沿相反方向排列，從而抵消了整體的磁化強度。在反鐵手性晶體中，每個晶胞記憶體在等量的左旋和右旋亞結構，使得整個結構呈非手性。

由安德里亞·卡瓦列裡領導的研究團隊，利用太赫茲光打破了非手性材料磷酸硼（BPO₄）中的這種平衡，以這種方式在超快的時間尺度上誘匯出了有限的手性。

『我們利用了一種稱為非線性聲子學的機制，』 該研究的主要作者曾志洋表示。『透過激發特定的太赫茲頻率振動模式，該模式沿材料中其他模式的坐標方向使晶格發生位移，我們創造出了一種能持續數皮秒的手性狀態。』 他補充道。

共同作者邁克爾·弗斯特繼續說道：『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的手性結構。』

『這一發現為在原子層面對物質進行動態控制開闢了新的可能性，』 MPSD的研究小組負責人安德里亞·卡瓦列裡表示。『我們對這項技術的潛在應用感到興奮，以及它如何能用於創造出獨特的功能。在非手性材料中誘匯出手性的能力，可能會在超快儲存器件甚至更先進的光電平臺上帶來新的應用。』

參考文獻：由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撰寫的《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

這項研究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是自由電子鐳射科學中心（CFEL）的成員，CFEL是與德國電子同步加速器（DESY）和漢堡大學的合作專案。DESY通常縮寫為DESY，是德國的一個國家研究中心，執行用於研究物質結構的粒子加速器。它是亥姆霍茲協會的成員，在漢堡和措森設有研究基地。