拓撲材料中首現不尋常手性量子態

科技日報北京5月12日電 （記者張夢然）最新一期《自然·通訊》雜誌刊登了一項由美國普林斯頓大學領導的研究成果：團隊利用新開發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後隱藏的手性對稱破缺現象。這一發現不僅解答了關於拓撲材料能否自發形成手性量子態的長期爭論，也為未來新型量子技術的發展提供了關鍵線索。

“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。這種特性廣泛存在於自然界中，從DNA雙螺旋到蝸牛殼的旋向，都是手性的體現。在物理領域，科學家一直好奇：某些非手性結構的材料是否能通過某種機制自發打破對稱性，形成具有手性的量子態？

Kagome晶格是一種由共享頂點的三角形構成的二維幾何結構，因類似日本傳統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台。儘管其結構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現，在特定條件下，KV3Sb5會自發形成一種獨特的電荷密度波，即電子密度呈現週期性分佈的現象。這引發了一個關鍵問題：這種電荷有序是否具有手性？

為了解答這個問題，團隊設計並應用了一種全新的成像工具——掃描光電流顯微鏡。不同於傳統的測量手段，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，從而揭示其內部是否存在手性特徵。

實驗中，團隊將相干激光聚焦在放置於特殊量子器件中的樣品上，並測量由此產生的光電流。他們製備了超純淨的KV3Sb5晶體，並在接近絕對零度（4開爾文）的極低温環境下進行測試。

結果顯示，在高温狀態下，材料對左旋和右旋圓偏振光的光電流響應沒有明顯差異。然而，當温度下降至電荷密度波轉變温度以下時，光電流開始表現出明顯的“偏好”——對某一方向的圓偏振光反應更強。這種不對稱性正是手性存在的決定性證據。

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材料中電荷有序態打破了鏡像對稱性和空間反演對稱性，明確了其內在手性。這是在拓撲量子材料中首次觀察到此類自發對稱性破缺，填補了理論與實驗之間長期存在的空白。

這一研究十分艱深，但對科學家來説，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，最終發現了原本看不見的新奇量子現象。因此可以説，它標誌着我們在通往新一代量子科技的征程上邁出了重要一步。