研究人员发现了一种使用太赫兹光在非手性材料中诱导出手性的方法。

这项开创性的技术涉及在超快时间尺度上操控晶体晶格结构，可能会给超快存储器和光电子学领域的应用带来革命性变革，标志着在材料性能的动态控制方面取得了重大进展。

手性诱导取得突破

牛津大学和马克斯普朗克物质结构与动力学研究所的科学家发现，太赫兹光能够在自然状态下无手性的晶体中诱导出手性。这一突破使得晶体能够根据需要呈现出左旋或右旋的形态。他们于1月23日在《科学》杂志上发表的研究成果，为研究复杂材料及其动态行为开辟了新的可能性。

手性是物质的一个关键特性，在生物、化学和物理过程中起着至关重要的作用。它描述的是物体无法与其镜像完全重合的现象，就像我们的左手和右手不同一样。在手性晶体中，原子的排列方式赋予了材料一种独特的“手性”，这会对晶体的性质产生重大影响，例如晶体与光和电的相互作用方式。

材料科学的新可能性

例如，手性固体通过与手性分子和偏振光产生独特相互作用，在催化、传感和光学器件领域带来了激动人心的机遇。这些特性是在材料生长过程中形成的，即左旋和右旋对映体在不经过熔化和重结晶的情况下无法相互转化。

迄今为止，尚未有实验证明光可以诱导手性，但这直接源自牛津大学物理系共同作者Paolo G Radaelli教授于2018年提出的一系列理论预测。牛津大学（Radaelli教授）与马克斯·普朗克学会（Cavalleri教授）的合作促成了一系列尖端实验，用以检验该理论。

实现超快手性诱导

在这项新研究中，牛津-汉堡团队证实了这一预测，并且利用太赫兹光在非手性材料（磷酸硼，BPO4）上于超快时间尺度上成功诱导出手性。

首席研究员、牛津大学和马克斯普朗克量子光学研究所的安德烈亚·卡瓦莱里教授说：“这一发现为原子层面上物质的动态控制开辟了新的可能性。我们很期待看到这项技术的潜在应用，以及如何利用它来创造独特的功能。在非手性材料中诱导出手性的能力可能会为超高速存储设备甚至更精密的光电子平台带来新应用。”

进展与潜在风险

曾志阳是牛津大学-马克斯普朗克量子材料联合研究生项目的在读研究生，由拉达埃利教授和卡瓦列里教授联合指导，也是这篇论文的主要作者：“我们利用了一种称为非线性声子的机制。通过激发一种特定的太赫兹频率振动模式，使晶体晶格沿材料中其他模式的坐标发生位移，我们创造了一种持续数皮秒的手性态。”

共同作者、MPSD 的迈克尔·福斯特 (Michael Först) 博士继续说道：“值得注意的是，通过将太赫兹光的偏振旋转 90 度，我们可以选择性地诱导出左旋或右旋手性结构。”

拉达利（Radaelli）教授评论道：“这种方法潜力巨大。我们已经证明了这种效应的磁模拟，即利用光在非磁性材料中产生磁性。我们目前正在尝试在超快时间尺度上‘打开’其他属性，如铁电性。”

尽管有人担心生成手性分子的能力会给生命带来潜在风险，但在这种情况下，并不会生成永久性的手性分子。相反，晶体会在极短的时间内（通常为十亿分之一秒）被诱导为右手性或左手性。

参考文献：曾铮、M. Först、M. Fechner、M. Buzzi、E. B. Amuah、C. Putzke、P. J. W. Moll、D. Prabhakaran、P. G. Radaelli 和 A. Cavalleri 的“非手性晶体中的光致手性”，发表于 2025 年 1 月 23 日，《科学》杂志。DOI：10.1126/science.adr4713

本研究得到了德意志研究联合会（Deutsche Forschungsgemeinschaft）通过“CUI：物质高级成像”卓越集群项目提供的资金支持。马克斯普朗克动力学与自组织研究所是自由电子激光科学中心（CFEL）的成员，该中心由德国电子同步加速器研究所和汉堡大学联合创办。