如果一个物体的镜像不能通过任何旋转或平移的组合与其自身重合，则该物体被定义为手性。在晶体系统中，结构手性是在形成过程中由晶格结构预先决定的，这使得在晶体生长后操纵系统的手性变得具有挑战性。例如，手性晶体α-石英可以存在于右旋或左旋结构中，其特征是晶胞内具有相反手性的原子螺旋。一旦形成，具有相反手性的手性晶体不能在不熔化并重新结晶材料的情况下相互转换。反铁手性物质是一类特殊的非手性系统，其晶胞由具有相反手性的手性片段组成。由于左旋和右旋结构之间的简并性，整个系统仍然保持非手性，类似于外消旋晶体。这些系统的一个显著特征是，在能够补偿交错手性片段的外部扰动下，它们有可能发展出手性。在该工作中，来自德国马克思-普朗克研究所的A. Cavalleri教授团队通过实验证实，在太赫兹脉冲辐照下，非手性压电材料磷酸硼（BPO4）可以产生任意手性。该工作以题为“Photo-induced chirality in a nonchiral crystal”发表在《Science》上，第一作者为Paul (Zhiyang) Zeng（本科毕业于北京大学）。
【非线性声子诱导非手性体系的手性】
磷酸硼（BPO4）是一种反铁手性材料的例子。其平衡晶格以及左旋和右旋的手性子结构如下图所示。原子结构沿B对称模式坐标的位移解除了相反手性局部结构之间的简并性，从而导致铁手性态的产生。沿B模式坐标的原子运动分别增强和减弱了左旋和右旋局部手性结构的振幅。因此，铁手性态的手性可以通过声子位移的方向，即其振幅QB的符号来控制，这为通过结构工程合理设计这些系统中的手性提供了机会。
由于需要耦合到需要在特定方向上位移的特定晶格模式，因此这种效应不容易通过外部场来激发。但可以通过非线性声子学短暂实现，在一种特定的非线性声子相互作用中，选择性地驱动的红外活性太赫兹频率声子模式QIR的平方与第二种模式Q2线性耦合，沿着正则模式坐标Q2诱导出一个整流位移力。这个整流力诱导出一个在平衡状态下无法获得的瞬态晶体结构。
在BPO4中，通过驱动分别沿a轴和b轴极化的简并红外活性E对称声子模式之一，可以实现对控制手性的B对称声子模式的位移力。通过控制太赫兹频率激发脉冲的偏振，系统可以被驱动到两个相反的手性状态之一。这一效应可以通过两个运动方程模拟，涉及共振驱动的双简并模式QE,a/b和四组非谐耦合的B对称模式QB,i。计算预测，晶体沿四个B对称声子模式的瞬态位移会使系统进入由这些模式线性叠加决定的手性状态。诱导的手性可以通过计算电转矩单极作为序参量或采用最近引入的几何方法进行量化。
图1. 手性与非手性晶体
【手性和旋光性动力学】
该位移会对时间延迟的探测脉冲产生两种光学效应：一是与所需诱导手性相关的旋光性；二是由于晶体四重对称轴被破坏而产生的诱导双折射，可以从总光学信号中减去以揭示旋光性。旋光性独自产生特征极化旋转，该旋转与探测光在a–b平面内的入射偏振无关。相反，双折射对极化旋转响应产生四重对称调制，而不改变所有入射探测偏振下信号的平均值。总极化旋转信号遵循特定形式，由泵浦和探测偏振之间的相对角度、泵浦偏振与瞬态双折射光轴之间的角度、与旋光性成正比的旋光度以及双折射引起的折射率差决定。计算了入射偏振函数的总时间相关极化旋转信号。当泵浦偏振沿b轴激发QE,b模式时，B对称模式的诱导位移方向改变，导致旋光性和诱导双折射反转，总体极化旋转信号符号变化。
图2. BPO4中光诱导的手性
【实验结果】
室温下保存的BPO4样品由中心频率为19 THz、半高全宽为3 THz、激发能量密度高达5.0 mJ/cm²且相应峰值电场为5.1 MV/cm的脉冲激发。这些脉冲沿a轴或b轴线性偏振，以18.9 THz的横光学频率共振驱动每个简并E对称声子模式。
当泵浦光沿晶体a轴偏振时，声子激发会引起探测光偏振随时间旋转。在每个探测偏振角下，作者发现在时间零点附近偏振突然开始旋转，随后在几皮秒内衰减，远长于200飞秒的激发脉冲持续时间。由于上述瞬态双折射，信号随入射探测偏振呈90°周期性变化。
由于双折射引起的调制在所有探测偏振下平均为零，因此可以通过在每个时间延迟下对所有入射探测偏振的信号进行平均来提取瞬态旋光性。结果显示出一个有限且为正的信号，为非平衡手性态提供了明确证据。其寿命与共振激发的光学声子的激发和衰减一致。进一步将泵浦偏振旋转90°，以共振激发沿BPO4晶体b轴的E对称声子。相应的随时间变化的偏振旋转和相应的旋光性如预测所示，符号反转，表明与a轴激发相比，光诱导的铁手性态的手性相反。
进一步表征光诱导的手性态验证了预测的非线性声子机制。旋光度随19 THz激发脉冲的峰值电场变化，表现出二次场依赖性和两种不同泵浦偏振下的符号反转，这与非线性声子相互作用势一致。此外，当激发脉冲调至双简并E对称声子的18.9 THz横光学频率时，非平衡旋光度共振增强。通过比较非平衡旋光度与光学中常用于偏振旋转的材料α-石英的静态值（6.8°/mm），作者估算了BPO4在共振时的光诱导旋光度大小。在实验可用的泵浦能量密度下，假设手性态仅在激发脉冲的消光深度δ内诱导，BPO4的光诱导旋光度与α-石英的平衡值相当。
图3. 光诱导极化的测量
总结，本文研究了非手性晶体磷酸硼盐（BPO4）在太赫兹脉冲激发下诱导出的手性现象。研究团队利用非线性声子学方法，通过共振激发BPO4中两个正交简并的振动模式之一，成功诱导出具有特定手性的非平衡态。这种诱导的手性状态的光学活性与典型手性晶体α-石英的静态值相当。实验中，通过改变太赫兹脉冲的极化方向，可以控制诱导手性的方向，从而在超快时间尺度上实现手性的切换。这一发现不仅为复杂材料中非平衡量子现象的调控提供了新思路，还为开发基于手性的超快光电器件和探索拓扑及关联体系中的新物理现象奠定了基础。
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
