中国青年学者一作，Science之后，再发Nature，标题仅三个词！

手性控制难题迎来突破

手性，即物体与其镜像无法重合的几何特性，是自然界中普遍存在的现象，在物理、化学和生物学中扮演着核心角色。从磁手性各向异性到不对称合成，再到药物的对映选择性作用，手性支撑着众多重要的功能性应用。然而，如何实现对材料手性的理性控制，尤其是连续可调且方向可控的手性操控，一直是科学界面临的重大挑战。长期以来，研究者们尝试通过各种外部刺激来调控手性，但现有方法大多只能调制已有的手性，而无法在原本非手性的体系中以确定的方式诱导出特定的手性。就在最近，有研究通过太赫兹光脉冲激发特定声子模式在非手性体系中诱导了具有选定手性的结构，但实现机械应变与手性之间的普适性线性耦合——即理论上已被预期的“压电手性效应”——仍是未竟之功。

马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所A. Cavalleri教授和牛津大学P. G. Radaelli教授合作研究团队，首次建立了压电手性效应的严格形式化理论，并在模型材料AgGaS₂中实现了实验验证。研究团队通过对称性分析发现，在大量非手性晶体中——那些每个晶胞内包含相反手性碎片的材料——单轴应变可以诱导出可调控的手性。这种应变诱导的手性可以通过改变应变方向（例如从x方向改为y方向），或在同一方向切换压应变与张应变来实现手性反转。该发现为手性控制建立了一种全新的范式，潜在应用涵盖自旋电子学、不对称催化和生物系统中的对映选择性相互作用等多个领域。相关论文以“The piezochiral effect”为题，发表在Nature 上，第一作者为ZengZhiyang。

理论框架与材料分类

研究团队定义了一种名为“压电手性张量”的物理量来描述应变与手性之间的耦合关系。与传统的二阶张量（如应变张量）在空间反演下保持不变不同，压电手性张量在这一对称操作下会改变符号，这正是手性这一物理量的本质特征。基于这一形式化理论，研究团队对全部32个晶体学点群进行了系统的群论分析。如图1b和扩展数据图1所示，在这32个点群中，11个是中心对称的，不具备压电手性；11个是手性点群，具有内在的压电手性；4个非手性点群（42m、mm2、4、m）支持线性的压电手性耦合；另有6个非手性点群仅支持高阶压电手性。为便于研究者查阅，团队还建立了包含超过40,000种候选材料的在线数据库。

图1 压电手性效应。a，处于平衡态的非手性体系在施加应变后发展出手性。在张应变和压应变之间切换会反转所诱导手性的手性符号。b，压电手性耦合形式。从左至右依次为支持应变与手性耦合的四个非手性点群、各自的耦合形式、耦合形式的可视化及代表性材料。a.u.，任意单位。

模型材料AgGaS₂的微观机制

研究团队选取了AgGaS₂（点群42m）作为模型体系，以揭示压电手性效应在晶胞层面的微观起源。该晶体的结构如图2a所示，每个晶胞内包含红色和蓝色标识的两种手性亚结构，它们具有相反的手性，形成了一种“反铁手性”排列——相反的手性相互抵消，导致整体结构表现为非手性。为了定量描述这种手性，研究者定义了一个赝标量序参量，该参量由连接螺旋结构中四个相邻原子的归一化向量依次构成的三重积之和给出（图2c）。在AgGaS₂中，这一序参量对相反手性的亚结构给出相反的数值，而总和的代数和为零，精确地反映了整体非手性的特征（图2b）。

图2 AgGaS₂中的静态手性序参量。a，反铁手性晶体AgGaS₂的晶胞，由具有相反手性的手性亚结构组成。b，AgGaS₂的归一化手性序参量。相反手性的亚结构给出相反的数值，导致净手性序参量为零。c，手性序参量的定义，由沿螺旋方向连接邻近原子的归一化向量所构成的三重积之和给出。

密度泛函理论计算揭示应变诱导手性

研究团队利用密度泛函理论计算评估了AgGaS₂在单轴应变下手性的演化。计算中，他们固定沿a轴或b轴的晶格参数，同时完全弛豫其余晶格参数和所有内部原子坐标，然后从弛豫后的结构中计算手性序参量。如图3a所示，沿x方向施加单轴应变时，两种相反手性亚结构的手性幅度受到不等量的调制，两者之间的简并被打破，原有的补偿关系失效，导致整个晶胞中出现了净手性。当沿y方向施加应变时，同样诱导出净手性，但其符号与沿x方向应变时相反（图3b）。这与理论预言的耦合形式C = θ(εxx - εyy)完全一致——沿不同方向施加同类型的应变，会诱导出相反的手性。

图3 AgGaS₂中应变诱导手性的计算。a，沿x方向单轴应变下，两种手性亚结构和整个晶胞中手性的演化。b，与a相同，但为沿y方向的单轴应变。

光学实验验证

研究团队通过测量应变诱导的光学活性来实验验证压电手性效应。实验采用线偏振光脉冲沿晶体c轴方向传播，通过测量不同入射偏振角下的偏振旋转来探测应变诱导的手性（图4a）。在若干不同应变值下，偏振旋转信号随入射偏振角呈现出规律性变化，从中提取的旋光功率随应变线性变化，清晰地展示了应变与手性的线性耦合关系（图4b、4c）。当沿y方向施加应变时，所得旋光功率的符号与x方向应变完全相反（图4d、4e），与理论预测的耦合形式精确吻合。研究团队还进行了波长依赖性测量：在633 nm波长下观察到相同的定性行为，但由于该波长（633 nm）相较于808 nm更趋近于AgGaS₂的带隙波长（约450 nm），旋光功率显著增大，符合手性材料中旋光功率随探测波长趋近带隙而增强的一般规律。

图4 压电手性效应的观测。a，实验示意图。线偏振光脉冲沿晶体c轴方向传播，通过测量不同入射偏振角下的偏振旋转来探测应变诱导的手性。b，沿x方向单轴应变下，不同入射偏振角对应的偏振旋转信号。c，从b中提取的旋光功率随单轴应变的变化关系。d，与b相同，但为沿y方向的单轴应变。e，与c相同，但为沿y方向的单轴应变。

系统误差评估

为评估可能存在的系统误差，研究团队在中心对称的非压电手性参考样品CaF₂（点群m3m）上进行了完全相同的应变依赖偏振旋转测量。结果表明，CaF₂中残余的应变诱导旋转幅度和符号依赖于样品位置，这些被归因于光学准直偏差、应变不均匀性等实验不确定性，其幅值远小于AgGaS₂中观测到的信号，从而确认了观测到的光学活性确实来源于应变诱导的手性。

总结与展望

压电手性效应的发现为手性材料的按需设计与操控开辟了全新途径。通过简单的机械应变即可在原本非手性的材料中诱导出确定的手性，并且可通过应变方向或类型的切换实现手性反转，这种调控方式在自旋电子学、不对称催化和生物传感等领域具有广阔的应用前景。研究团队建立的理论框架和在线材料数据库为后续研究提供了坚实的基础工具，有望加速压电手性材料从基础研究向实际应用的转化进程。