普朗克结构与动力学研究所最新Science：非手性晶体的光致手性
【一】、科研背景
手性是一种普遍存在的对称性形式，与固体的物理性质以及分子系统的化学和生物活性密切相关。手性材料在自然界中广泛存在，例如生物分子中的手性对生命活动至关重要。手性晶体（如α-石英）在生长过程中会形成左旋或右旋的结构，这些结构一旦形成，通常无法通过简单的物理或化学手段改变其手性。手性晶体的典型特征是它们的镜像结构无法通过旋转或平移与自身重合。反铁手性材料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。由于左右手性结构的简并性，整体系统仍然是非手性的。然而，外部扰动可以打破这种简并性，从而诱导出手性。非线性声子学是一种通过光脉冲相干控制晶格结构的方法。通过选择性地驱动红外活性的太赫兹频率声子模式，可以诱导出非平衡的晶体结构，从而实现对称性的调控。这种方法为通过光控手段设计晶体结构和对称性提供了新的途径。在非手性材料中诱导手性是一个具有挑战性的问题，因为这需要同时打破所有的镜像对称性和旋转反演对称性。在非手性材料中诱导手性是一个复杂的任务，因为需要同时打破所有的镜像和旋转反演对称性。
【二】、科研创新
近日，来自德国普朗克结构与动力学研究所的A. Cavalleri研究员首次展示了通过太赫兹脉冲照射，可以在非手性的压电材料磷酸硼（BPO₄）中诱导出任意手性的手性结构。通过共振激发两个正交的、简并的振动模式中的任意一个，可以决定诱导的手性序参数的符号。光诱导相的光学活性与典型手性物质α-石英的静态值相当。本文的发现为复杂材料中非平衡量子现象的控制提供了新的前景。相关成果以“Photo-induced chirality in a nonchiral crystal”为题发表在国际著名顶级期刊Science上。
图1. 固体中的手性。 (A) 典型的手性晶体α-石英以左旋和右旋构型存在，这些构型由生长过程中形成的螺旋原子结构决定。(B) 反铁手性晶体BPO₄的单位晶胞由具有相反手性的手性亚结构组成。这些左旋和右旋结构的简并性使得整个系统保持非手性。© 2025 AAAS
图2. 光诱导的BPO₄手性 (A) BPO₄中原子沿B对称声子的位移会打破左旋和右旋局部结构之间的简并性，使系统从反铁手性转变为铁手性态。声子位移方向相反会诱导出相反手性的手性态。(B) 当太赫兹泵浦的电场极化沿a轴时，会激发模式Q_E,a在其平衡位置附近的相干振荡。通过非线性声子耦合，沿B模式坐标诱导出正向瞬态位移，将系统驱动到具有左旋性的非平衡铁手性态。(C) 激发沿b轴的二重简并E对称声子模式时，会激发Q_E,b模式在其平衡位置附近的相干振荡。通过非线性声子耦合，沿Q_B模式坐标诱导出负向瞬态位移，将系统驱动到具有右旋性的铁手性态。© 2025 AAAS
图3. 光诱导手性态的理论计算 (A) 对于沿a轴的泵浦，计算得到的光诱导光学活性随泵浦-探测时间延迟的变化。黄色阴影区域为激发脉冲的时间轮廓。插图显示了在a-b平面内，探测光入射偏振方向对应的偏振旋转信号幅度。(B) 对于沿a轴的泵浦，计算得到的光诱导双折射随泵浦-探测时间延迟的变化。插图显示了探测光入射偏振方向对应的偏振旋转信号的调制幅度。(C) 对于沿a轴的泵浦，计算得到的总偏振旋转信号随探测光入射偏振方向和泵浦-探测时间延迟的变化。右侧显示了在固定时间延迟+0.1 ps时的信号。(D) 与(A)相同，但为沿b轴激发。(E) 与(B)相同，但为沿b轴激发。(F) 与(C)相同，但为沿b轴激发。所有计算均使用19 THz的泵浦脉冲，峰值电场为5 MV/cm。© 2025 AAAS
图4. 时间分辨偏振旋转测量 (A) 泵浦-探测实验示意图。线性极化的太赫兹脉冲沿a轴或b轴极化，将BPO₄晶体驱动到手性态。通过测量时间延迟的近红外脉冲的偏振旋转来探测该态，该测量作为探测光入射偏振方向的函数进行。(B) 对于a轴激发，随时间延迟变化的偏振旋转信号作为探测光入射偏振方向的函数。右侧显示了在固定时间延迟+0.1 ps时的信号。(C) 从(B)中提取的随时间延迟变化的旋转功率（与光学活性成正比），考虑了激发脉冲的有限消光深度d。(D) 与(B)相同，但为b轴激发。(E) 与(C)相同，但为b轴激发。© 2025 AAAS
图5. 光诱导手性态的表征 (A) 对于沿a轴（红色）和b轴（蓝色）极化的激发，随太赫兹脉冲峰值电场变化的旋转功率。(B) 在固定峰值电场5.1 MV/cm下，随激发脉冲中心频率变化的旋转功率最大值。水平误差条表示泵浦中心频率的1σ置信区间。灰色曲线表示光学导电率的实部。© 2025 AAAS
【三】、科研启示
本文展示了如何通过外部激励（如太赫兹脉冲）打破晶体的对称性，从而诱导出手性。这种方法为研究和设计具有特定手性功能的材料开辟了新途径，尤其是在生物医学、化学催化和光学材料等领域，也为开发基于手性的新型器件提供了可能，有助于深入理解复杂材料的动态行为和潜在功能。
论文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr4713
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