科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然
最新一期《自然·通訊》雜志刊登了一項(xiàng)由美國(guó)普林斯頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究成果：團(tuán)隊(duì)利用新開(kāi)發(fā)的掃描光電流顯微鏡，在一種被稱(chēng)為KV3Sb5的Kagome晶格拓?fù)洳牧现?，首次直接觀測(cè)到電荷密度波背后隱藏的手性對(duì)稱(chēng)破缺現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)不僅解答了關(guān)于拓?fù)洳牧夏芊褡园l(fā)形成手性量子態(tài)的長(zhǎng)期爭(zhēng)論，也為未來(lái)新型量子技術(shù)的發(fā)展提供了關(guān)鍵線(xiàn)索。
“手性”是指一個(gè)物體與其鏡像無(wú)法重合的特性，就像人的左手和右手一樣。這種特性廣泛存在于自然界中，從DNA雙螺旋到蝸牛殼的旋向，都是手性的體現(xiàn)。在物理領(lǐng)域，科學(xué)家一直好奇：某些非手性結(jié)構(gòu)的材料是否能通過(guò)某種機(jī)制自發(fā)打破對(duì)稱(chēng)性，形成具有手性的量子態(tài)？
Kagome晶格是一種由共享頂點(diǎn)的三角形構(gòu)成的二維幾何結(jié)構(gòu)，因類(lèi)似日本傳統(tǒng)竹籃編織圖案而得名。長(zhǎng)期以來(lái)，它被視為研究奇異量子相的理想平臺(tái)。盡管其結(jié)構(gòu)本身被認(rèn)為是非手性的，但2021年，研究團(tuán)隊(duì)使用高分辨率掃描隧道顯微鏡發(fā)現(xiàn)，在特定條件下，KV3Sb5會(huì)自發(fā)形成一種獨(dú)特的電荷密度波，即電子密度呈現(xiàn)周期性分布的現(xiàn)象。這引發(fā)了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：這種電荷有序是否具有手性？
為了解答這個(gè)問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并應(yīng)用了一種全新的成像工具——掃描光電流顯微鏡。不同于傳統(tǒng)的測(cè)量手段，這種顯微鏡能夠探測(cè)材料在圓偏振光照射下的非線(xiàn)性電磁響應(yīng)，從而揭示其內(nèi)部是否存在手性特征。
實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)將相干激光聚焦在放置于特殊量子器件中的樣品上，并測(cè)量由此產(chǎn)生的光電流。他們制備了超純凈的KV3Sb5晶體，并在接近絕對(duì)零度（4開(kāi)爾文）的極低溫環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。
結(jié)果顯示，在高溫狀態(tài)下，材料對(duì)左旋和右旋圓偏振光的光電流響應(yīng)沒(méi)有明顯差異。然而，當(dāng)溫度下降至電荷密度波轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，光電流開(kāi)始表現(xiàn)出明顯的“偏好”——對(duì)某一方向的圓偏振光反應(yīng)更強(qiáng)。這種不對(duì)稱(chēng)性正是手性存在的決定性證據(jù)。
通過(guò)對(duì)比左右旋光照射下的電流信號(hào)，團(tuán)隊(duì)首次直接證實(shí)了KV3Sb5材料中電荷有序態(tài)打破了鏡像對(duì)稱(chēng)性和空間反演對(duì)稱(chēng)性，明確了其內(nèi)在手性。這是在拓?fù)淞孔硬牧现惺状斡^察到此類(lèi)自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺，填補(bǔ)了理論與實(shí)驗(yàn)之間長(zhǎng)期存在的空白。
總編輯圈點(diǎn)：
這一研究十分艱深，但對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，其不僅深化了對(duì)拓?fù)洳牧现辛孔有袨榈睦斫猓€可能為未來(lái)的光電、光伏及量子信息處理技術(shù)提供新思路。這項(xiàng)工作就像是用最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)微觀世界，最終發(fā)現(xiàn)了原本看不見(jiàn)的新奇量子現(xiàn)象。因此可以說(shuō)，它標(biāo)志著我們?cè)谕ㄍ乱淮孔涌萍嫉恼鞒躺线~出了重要一步。
