科技日報記者 張夢然

最新一期《自然·通訊》雜志刊登了一項由美國普林斯頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究成果：團隊利用新開發(fā)的掃描光電流顯微鏡，在一種被稱為KV3Sb5的Kagome晶格拓撲材料中，首次直接觀測到電荷密度波背后隱藏的手性對稱破缺現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)不僅解答了關(guān)于拓撲材料能否自發(fā)形成手性量子態(tài)的長期爭論，也為未來新型量子技術(shù)的發(fā)展提供了關(guān)鍵線索。

“手性”是指一個物體與其鏡像無法重合的特性，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)的材料是否能通過某種機制自發(fā)打破對稱性，形成具有手性的量子態(tài)？

Kagome晶格是一種由共享頂點的三角形構(gòu)成的二維幾何結(jié)構(gòu)，因類似日本傳統(tǒng)竹籃編織圖案而得名。長期以來，它被視為研究奇異量子相的理想平臺。盡管其結(jié)構(gòu)本身被認為是非手性的，但2021年，研究團隊使用高分辨率掃描隧道顯微鏡發(fā)現(xiàn)，在特定條件下，KV3Sb5會自發(fā)形成一種獨特的電荷密度波，即電子密度呈現(xiàn)周期性分布的現(xiàn)象。這引發(fā)了一個關(guān)鍵問題：這種電荷有序是否具有手性？

為了解答這個問題，團隊設(shè)計并應(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)的測量手段，這種顯微鏡能夠探測材料在圓偏振光照射下的非線性電磁響應(yīng)，從而揭示其內(nèi)部是否存在手性特征。

實驗中，團隊將相干激光聚焦在放置于特殊量子器件中的樣品上，并測量由此產(chǎn)生的光電流。他們制備了超純凈的KV3Sb5晶體，并在接近絕對零度（4開爾文）的極低溫環(huán)境下進行測試。

結(jié)果顯示，在高溫狀態(tài)下，材料對左旋和右旋圓偏振光的光電流響應(yīng)沒有明顯差異。然而，當溫度下降至電荷密度波轉(zhuǎn)變溫度以下時，光電流開始表現(xiàn)出明顯的“偏好”——對某一方向的圓偏振光反應(yīng)更強。這種不對稱性正是手性存在的決定性證據(jù)。

通過對比左右旋光照射下的電流信號，團隊首次直接證實了KV3Sb5材料中電荷有序態(tài)打破了鏡像對稱性和空間反演對稱性，明確了其內(nèi)在手性。這是在拓撲量子材料中首次觀察到此類自發(fā)對稱性破缺，填補了理論與實驗之間長期存在的空白。

總編輯圈點：

這一研究十分艱深，但對科學(xué)家來說，其不僅深化了對拓撲材料中量子行為的理解，還可能為未來的光電、光伏及量子信息處理技術(shù)提供新思路。這項工作就像是用最先進的望遠鏡對準微觀世界，最終發(fā)現(xiàn)了原本看不見的新奇量子現(xiàn)象。因此可以說，它標志著我們在通往新一代量子科技的征程上邁出了重要一步。