拓扑材料中首现不寻常手性量子态

科技日报北京5月12日电 （记者张梦然）最新一期《自然·通讯》杂志刊登了一项由美国普林斯顿大学领导的研究成果：团队利用新开发的扫描光电流显微镜，在一种被称为KV3Sb5的Kagome晶格拓扑材料中，首次直接观测到电荷密度波背后隐藏的手性对称破缺现象。这一发现不仅解答了关于拓扑材料能否自发形成手性量子态的长期争论，也为未来新型量子技术的发展提供了关键线索。

“手性”是指一个物体与其镜像无法重合的特性，就像人的左手和右手一样。这种特性广泛存在于自然界中，从DNA双螺旋到蜗牛壳的旋向，都是手性的体现。在物理领域，科学家一直好奇：某些非手性结构的材料是否能通过某种机制自发打破对称性，形成具有手性的量子态？

Kagome晶格是一种由共享顶点的三角形构成的二维几何结构，因类似日本传统竹篮编织图案而得名。长期以来，它被视为研究奇异量子相的理想平台。尽管其结构本身被认为是非手性的，但2021年，研究团队使用高分辨率扫描隧道显微镜发现，在特定条件下，KV3Sb5会自发形成一种独特的电荷密度波，即电子密度呈现周期性分布的现象。这引发了一个关键问题：这种电荷有序是否具有手性？

为了解答这个问题，团队设计并应用了一种全新的成像工具——扫描光电流显微镜。不同于传统的测量手段，这种显微镜能够探测材料在圆偏振光照射下的非线性电磁响应，从而揭示其内部是否存在手性特征。

实验中，团队将相干激光聚焦在放置于特殊量子器件中的样品上，并测量由此产生的光电流。他们制备了超纯净的KV3Sb5晶体，并在接近绝对零度（4开尔文）的极低温环境下进行测试。

结果显示，在高温状态下，材料对左旋和右旋圆偏振光的光电流响应没有明显差异。然而，当温度下降至电荷密度波转变温度以下时，光电流开始表现出明显的“偏好”——对某一方向的圆偏振光反应更强。这种不对称性正是手性存在的决定性证据。

通过对比左右旋光照射下的电流信号，团队首次直接证实了KV3Sb5材料中电荷有序态打破了镜像对称性和空间反演对称性，明确了其内在手性。这是在拓扑量子材料中首次观察到此类自发对称性破缺，填补了理论与实验之间长期存在的空白。

这一研究十分艰深，但对科学家来说，其不仅深化了对拓扑材料中量子行为的理解，还可能为未来的光电、光伏及量子信息处理技术提供新思路。这项工作就像是用最先进的望远镜对准微观世界，最终发现了原本看不见的新奇量子现象。因此可以说，它标志着我们在通往新一代量子科技的征程上迈出了重要一步。