科学家发现特殊“反手性”晶体材料，打造动态操控手性新方法

近日，北京大学本科校友、英国牛津大学-德国马克思普朗克研究所联合培养博士生曾智洋和所在团队发现了一类特殊的“反手性”晶体材料。

这类材料在纳米尺度上由相等比例的左手和右手微观结构组成，在宏观上不表现出手性。有趣的是，这些材料会在外界调控下产生手性。研究中，他们通过超快光学激发，首次在实验上实现了对其手性的精准调控，开发了动态操控手性的新方法。

对于相关论文一位审稿人评价道：“这项研究颠覆了人们对手性只能在材料合成阶段决定的传统认知，首次通过光学手段实现了手性的外部调控。这一发现为手性材料的动态调控开辟了新方向，具有重要的科学价值和应用潜力。”

目前，本次研究仍处于基础研究阶段，但它为未来的应用提供了重要的理论和实验依据。“反手性”材料在多个领域有潜在的应用前景，例如：

• 光学元件：可重构手性光学器件，如可调偏振片和手性激光器。
• 非线性光学：用于调控光-物质相互作用，提高光信号处理能力。
• 手性催化：在合成化学和制药领域，手性调控可以影响催化反应的选择性。
• 拓扑物态研究：动态手性调控可能在拓扑材料和量子信息领域发挥作用。

未来，研究团队希望进一步优化这一方法，使其适用于更广泛的材料体系，并探索其他外场（如电场、磁场）对手性的调控方式。

手性是物质的基本性质之一，在生物学、物理学和化学等领域都有重要影响。而手性材料也在医药、光学、催化等多个方向有着广泛的应用。

在固体材料中，手性通常在晶体生长过程中决定，一旦形成，左手性和右手性便无法自由切换。这一限制极大地阻碍了手性材料的动态调控，以及光学器件中的应用。

本次研究正是针对这一问题，探索了一种全新的手性切换方法，使得手性可以在外界控制下实现动态调节。

不过，这个研究的开展实际上带有一些偶然性。最初，曾智洋的主要精力集中于另一项使用光学手段调控材料性质的研究上。在深入研究的过程中，他偶然产生了一个新的想法：是否可以通过光学方式来调控材料的手性？

为了验证这一想法的可行性，曾智洋利用自己掌握的有关群论的数学知识，对某些特定材料进行了对称性分析。很快，他发现这种方法在理论上是完全可行的——在合适的材料体系中，光场的激发确实可以诱导手性变化。这一发现让他非常兴奋，于是曾智洋开始思考如何在实验上加以验证。

确定理论可行后，他开始寻找适合的材料体系，并找到了几个适合在实验中观测手性调控的候选材料。在与导师讨论后，得到了导师的认可和支持，于是便着手在实验室进行尝试。在初步实验中，曾智洋和所在团队很快就观测到了与理论预测相符的手性变化。

在实验取得初步成功后，为了更深入理解观测到的手性变化机制，他们还进行了理论计算。通过模拟光场与材料内部结构的相互作用，建立了一个理论模型，并成功地解释了实验中的关键现象。

值得注意的是，在研究初期曾智洋使用实验室已有的光学仪器进行测量，虽然能够观测到预期的信号，但信噪比并不理想。为了获得更精准的结果，他在实验测量的硬件和软件方面同时进行了升级。

在硬件方面，曾智洋使用了所在研究所自研的光学探测器，提高了实验的灵敏度。在数据采集方面，他也抛弃了传统的商用仪器，而是采用了自己编程控制的数据采集软件。这些改进提高了实验的信噪比，也大大缩短了实验测量所需的时间。

日前，相关论文以《非手性晶体中的光诱导手性》（Photo-induced chirality in a nonchiral crystal）为题发在Science[1]，曾智洋是第一作者，安德里亚·卡瓦列里（Andrea Cavalleri）教授担任通讯作者。

据介绍，本次方法可以推广到更多材料体系，实现对不同材料手性的调控。

未来，研究团队首先希望探索更广泛的材料适用性，寻找其他具有可调手性的晶体，扩展该方法的适用范围。其次希望探索更多外场调控手段，研究电场、磁场等非光学手段对手性的影响。最后希望探索实际应用，将该方法应用于可重构光学器件、非线性光学材料以及手性催化体系。

参考资料：

1.Z. Zeng et al. , Photo-induced chirality in a nonchiral crystal.Science387,431-436(2025).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr4713

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