利用光来扭转电子

有些分子，包括生物体中的大多数分子，其形状可以以两种不同的镜像形式存在。左旋和右旋的分子有时会有不同的性质，因此只有一种分子执行分子的功能。现在，一组物理学家发现，一种类似的不对称模式可以用一种特殊的光束来刺激某些外来物质，并在这些物质中随意诱导和测量。

在这种情况下，所谓的“手性”现象，即手性，并不是发生在分子本身的结构中，而是发生在物质中电子密度的一种模式中。研究人员发现，这种不对称的图案是由一种不寻常的材料引起的，这种材料是一种过渡金属双氢酰亚胺半金属TiSe2或二烯化钛。

这项新发现,从而开辟新的研究领域的光学控制量子材料,今天在《自然》杂志上的一篇论文中描述了由麻省理工学院博士后苏扬徐和琼脂马,教授Nuh Gedik Pablo Jarillo-Herrero,和15的同事在美国麻省理工学院和其他大学美国、中国、台湾、日本和新加坡。

研究小组发现，尽管室温下的二烯化钛没有手性，但随着温度的降低，它会达到一个临界点，在这个临界点上，右手和左手电子构型的平衡被打破，一种构型开始占据主导地位。他们发现，这种效应可以通过向材料发射圆偏振中红外光来控制和增强，而且光的旋向(无论偏振是顺时针还是逆时针旋转)决定了电子分布的手性。

“这是一种非传统的材料，我们还不完全了解，”Jarillo-Herrero说。他说，这种材料自然地把自己组织成“松散地堆叠在一起的二维层”，有点像一捆纸。

在这些层中，电子的分布形成了一种“电荷密度波函数”，这是一组波纹状的条纹状的交替区域，其中电子的密度或大或小。这些条纹可以形成螺旋状的图案，就像DNA分子或螺旋梯的结构，向右或向左扭转。

通常情况下，这种材料会包含等量的电荷密度波的左、右两个版本，旋向性的影响在大多数测量中会抵消。但在偏振光的影响下，马说，“我们发现我们可以使材料更倾向于这些手性中的一个。”然后我们可以用另一束光来探测它的手性。“这类似于磁场诱导金属中的磁性取向，而金属中的分子通常是随机定向的，因此没有净磁效应。”

但是，在固体材料中引入光的手性效应是“以前从未有人做过的”，Gedik解释说。

在用圆偏振光诱导出特定的方向性后，“我们可以从光产生电流的方向检测出材料的手性，”徐补充道。然后，如果一个对极偏振光光源照射到材料上，这个方向可以转换成另一个方向。

Gedik说，尽管之前的一些实验表明这种材料中可能存在这种手性相，但“存在相互矛盾的实验”，所以直到现在这种影响是否真实还不清楚。虽然现在预测这样一个系统的实际应用还为时过早，但他说，仅仅用一束光来控制材料的电子行为的能力可能具有巨大的潜力。

虽然这项研究是用一种特定的材料进行的，但研究人员说，同样的原理也适用于其他材料。他们使用的材料，二烯化钛，被广泛研究用于量子器件的潜在用途，对它的进一步研究也可能为超导材料的行为提供见解。

Gedik说，这种诱导材料电子状态变化的方法是一种新工具，有可能被更广泛地应用。他说:“这种与光的相互作用现象在其他材料中也会很有用，不仅仅是手性材料，我怀疑它还会影响其他种类的秩序。”

而且，虽然手性在生物分子和某些磁现象中是众所周知和广泛存在的，“这是我们第一次证明这种现象发生在固体的电子特性中，”Jarillo-Herrero说。

“作者们发现了两个新东西，”阿姆斯特丹大学(University of Amsterdam)教授贾斯珀·范·韦策尔(Jasper van Wezel)说。他说，这些新发现是“一种检测材料是否具有手性的新方法，也是一种增强大块材料整体手性的方法。”这两个突破都意义重大。第一个是作为材料科学家实验工具箱的补充，第二个是作为在与光的相互作用方面具有理想性能的工程材料的方法。”

这项研究得到了美国能源部、戈登和贝蒂·摩尔基金会以及国家科学基金会的支持。该团队包括麻省理工学院、卡内基梅隆大学、德雷克塞尔大学的研究人员;国立中山大学、国立成功大学、台湾中央研究院;中国深圳大学、东北大学、新加坡国立大学、康奈尔大学和日本国立材料科学研究所。