量子映象的奧秘：對稱晶體中發現隱藏手性
普林斯頓大學研究團隊在一種被認為非手性的材料中，意外發現了手性量子態，這項突破不僅解開了物理學界長期以來的爭議，更為量子科技開闢了新道路。
手性（又稱「掌性」）是自然界的基本特徵，從生物分子、DNA雙螺旋到蝸牛殼的螺旋結構，處處可見其蹤影。這種「左右不對稱」的特性，在化學、生物學和物理學領域都引發學者極大興趣。
由物理學系Eugene Higgins講座教授M. Zahid Hasan領導的團隊，運用先進掃描光電流顯微鏡（SPCM），在具有籠目晶格結構的拓撲材料KV3Sb5中，首次觀測到電荷密度波對稱性破缺現象。這項發表於《自然通訊》的研究，解決了「拓撲材料能否自發形成手性量子態」的關鍵爭議。
「這就像用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡觀察量子世界，」Hasan教授形容道：「我們終於能解析那些隱藏在拓撲量子材料中的微妙量子效應。」
籠目晶格是由三角形組成的二維幾何圖案，源自日本傳統竹編工藝。2021年，Hasan團隊曾用高解析度掃描隧道顯微鏡（STM）發現，KV3Sb5在特定條件下會形成特殊的電荷密度波。這項轟動學界的發現，引發了「非手性籠目晶格能否產生手性電荷序」的熱烈討論。
為破解這個難題，論文共同第一作者博士生程子佳和博士後研究員Shafayat Hossain，開發出能偵測圓偏振光下非線性電磁響應的SPCM系統。當材料冷卻至4K（攝氏零下269度）時，光電流開始對左右旋光產生選擇性響應，這種「圓光電效應」正是手性的確切證據。
「我們的測量直接證實了反演對稱性和映象對稱性的破缺，」程子佳表示：「這首次確立了拓撲材料中電荷序態的內稟手性本質。」儘管現象已被確認，其背後機制仍是未解之謎。Hasan教授坦言：「我們尚缺乏嚴謹的理論解釋。」
這項發現的意義遠超基礎科學。手性量子態未來可能應用於新型光電技術，而二次電磁測量技術也展現出探測拓撲材料對稱性破缺的強大潛力。對稱性破缺是理解相變、磁性和超導性等物理現象的關鍵，Hasan團隊的突破為相關研究開闢了新途徑。
這項研究承襲了量子霍爾效應的學術脈絡——該領域已誕生多位諾貝爾獎得主，包括普林斯頓大學的崔琦教授（1998年）和F. Duncan Haldane教授（2016年）。自2007年發現首個三維拓撲絕緣體後，Hasan團隊持續探索拓撲材料的新奇量子特性，最新成果證實某些拓撲材料在低溫下會自發形成明確的手性態。
這項研究獲得美國能源部、戈登與貝蒂·摩爾基金會等機構支援，相關論文已刊登於《自然通訊》。
