手性是對(duì)稱(chēng)性的一種普遍的形式，手性與固體材料的物理學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，還與分子體系的化學(xué)以及生物活性有關(guān)。但是，非手性材料如何形成手性仍然是個(gè)挑戰(zhàn)，這是因?yàn)樾枰瑫r(shí)打破鏡像對(duì)稱(chēng)性和旋轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性。有鑒于此，馬克斯·普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究所/牛津大學(xué)A. Cavalleriden等通過(guò)太赫茲脈沖，在非手性壓電材料BPO4中產(chǎn)生手性中的任意一種。兩種正交簡(jiǎn)并振動(dòng)模式中的任意一種共振激發(fā)決定了誘導(dǎo)手性序列的符號(hào)。這種光誘導(dǎo)的光學(xué)相變化性質(zhì)與手性α-石英模型相當(dāng)。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)有助于控制復(fù)雜材料處于非平衡態(tài)的量子現(xiàn)象。通過(guò)非線(xiàn)性光學(xué)在非手性體系中產(chǎn)生手性BPO4是一種反鐵磁手性材料，如圖1B所示為BPO4的晶格以及左手、右手結(jié)構(gòu)。原子坐標(biāo)沿著B(niǎo)對(duì)稱(chēng)模式的位移能夠?qū)е孪喾词中园l(fā)生簡(jiǎn)并，產(chǎn)生手性態(tài)。圖2A展示了這種行為，其中原子沿著B(niǎo)對(duì)稱(chēng)模式的移動(dòng)能夠分別增強(qiáng)、降低局部的左手、右手手性結(jié)構(gòu)的振幅。因此通過(guò)聲子的位移能夠控制亞鐵手性態(tài)的手性。比如，控制幅度QB，為這些材料體系的手性提供理性設(shè)計(jì)的可能。 這種光誘導(dǎo)手性現(xiàn)象難以通過(guò)外場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生，這是因?yàn)樾枰c特定方向的位移和特定晶格模式之間耦合。這項(xiàng)研究通過(guò)非線(xiàn)性聲子實(shí)現(xiàn)了這種現(xiàn)象（非線(xiàn)性聲子是相干光控制原子的有效策略）。手性和光學(xué)活性的動(dòng)力學(xué)圖3. 光誘導(dǎo)手性態(tài)的理論計(jì)算原子位移導(dǎo)致延時(shí)的脈沖產(chǎn)生兩種光學(xué)效應(yīng)，分別是手性（chirality）和雙折射（birefringence）。光學(xué)活性與希望得到的手性有關(guān)，但是因?yàn)榫w的四重對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致產(chǎn)生雙折射，這種雙折射需要從總體的光信號(hào)中減去，從而得到光學(xué)活性。圖3A和3B展示了光學(xué)活性和雙折射分別隨著時(shí)間的改變、QE,a沿著a軸的激發(fā)模式。通過(guò)瞬態(tài)晶體結(jié)構(gòu)并且考慮了光學(xué)介電常數(shù)的B模式進(jìn)行計(jì)算，模擬計(jì)算是使用從頭算DFT理論計(jì)算。光學(xué)活性單獨(dú)能夠產(chǎn)生特征性的偏振旋轉(zhuǎn)，這種偏振旋轉(zhuǎn)與a-b平面的入射光的偏振無(wú)關(guān)(圖3A，插圖)。但是，雙折射導(dǎo)致對(duì)入射光的極化產(chǎn)生四重對(duì)稱(chēng)性的極化旋轉(zhuǎn)響應(yīng)（圖3B），同時(shí)不會(huì)改變整個(gè)入射極化光的平均信號(hào)數(shù)值。當(dāng)使用電場(chǎng)為5 MV/cm的太赫茲泵浦光，通過(guò)對(duì)入射極化光的計(jì)算，得到了隨時(shí)間變化的極化旋轉(zhuǎn)信號(hào)（圖3C）。當(dāng)泵浦的極化方向沿著b軸方向激發(fā)，能夠產(chǎn)生B對(duì)稱(chēng)模式的位移發(fā)生改變。因此，光學(xué)活性和雙折射都發(fā)生反轉(zhuǎn)（圖3D和3E），使得整體的機(jī)選旋轉(zhuǎn)信號(hào)的符號(hào)發(fā)生改變（圖3F）。 圖4. 時(shí)間分辨極化旋轉(zhuǎn)測(cè)試如圖4A所示，使用太赫茲極化光驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)的結(jié)果。在室溫下，使用19 THz頻率和3 THz寬度的光激發(fā)BPO4樣品，激發(fā)的光量達(dá)到5.0 mJ/cm2，產(chǎn)生的峰值電場(chǎng)達(dá)到5.1 MV/cm。如圖4B所示，為泵浦聲子激發(fā)沿著晶體a軸方向的時(shí)間依賴(lài)性旋轉(zhuǎn)。因?yàn)樗矐B(tài)雙折射效應(yīng)，信號(hào)與入射光的偏振具有90°的周期性。如圖4C所示，因?yàn)殡p折射的調(diào)制作用，因此瞬態(tài)光活性通過(guò)提取延時(shí)的入射偏振光信號(hào)的平均值。得到的信號(hào)產(chǎn)生正信號(hào)，因此明確了非平衡手性態(tài)的證據(jù)。隨后，將泵浦極化光旋轉(zhuǎn)90°，調(diào)節(jié)得到沿著b軸E對(duì)稱(chēng)性的聲子。如圖4D和4E所示，為相對(duì)應(yīng)的時(shí)間依賴(lài)性極化旋轉(zhuǎn)圖，結(jié)果表明，信號(hào)的符號(hào)相反，與a軸激發(fā)不同，b軸激發(fā)表現(xiàn)的亞鐵手性態(tài)產(chǎn)生了方向相反的手性。 通過(guò)進(jìn)一步對(duì)光誘導(dǎo)手性態(tài)的表征，研究非線(xiàn)性光學(xué)機(jī)理（圖5）。如圖5A所示為19 THz脈沖的旋轉(zhuǎn)功率與峰值電場(chǎng)之間的關(guān)系，這個(gè)關(guān)系表現(xiàn)不同泵浦極化表現(xiàn)二次場(chǎng)依賴(lài)性（quadratic field dependence），而且對(duì)兩個(gè)不同極化方向的光具有符號(hào)相反的現(xiàn)象。此外，當(dāng)激發(fā)脈沖調(diào)諧到雙簡(jiǎn)并的E對(duì)稱(chēng)性聲子18.9 THz橫向光學(xué)頻率時(shí)，非平衡旋轉(zhuǎn)功率的幅度共振增強(qiáng)（圖5B）。這項(xiàng)研究如果拓展到亞鐵手性材料體系能夠?qū)崿F(xiàn)超快速的非線(xiàn)性聲子切換，其能夠應(yīng)用于超快存儲(chǔ)設(shè)備，以及更加復(fù)雜的含有手性材料的光驅(qū)動(dòng)光電平臺(tái)。更加廣泛的是，這種手性具有超快速的產(chǎn)生速度，而且能夠在相反的手性之間切換，因此有可能應(yīng)用于探索非平衡態(tài)的復(fù)雜物質(zhì)的新型現(xiàn)象，尤其是手性起到重要作用的拓?fù)洳牧象w系和關(guān)聯(lián)體系。Z. Zeng et al. , Photo-induced chirality in a nonchiral crystal.Science387,431-436(2025). DOI: 10.1126/science.adr4713https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr4713
