莱斯大学的研究人员发现，晶体中的手性声子能使材料磁化，以类似于强磁场效应的方式排列电子自旋。这一发现挑战了物理学中的既有观念，尤其是时间反转对称的概念，为量子材料的高级研究铺平了道路。
莱斯大学的研究利用手性声子实现了变革性的量子效应。量子材料是未来高速、高能效信息系统的关键。挖掘其变革潜力的问题在于，在固体中，大量原子往往会淹没电子所携带的奇异量子特性。
量子材料科学家朱瀚宇实验室的研究人员发现，当原子绕圈运动时，它们也能创造奇迹： 当稀土晶体中的原子晶格产生一种被称为手性声子的螺旋形振动时，晶体就会变成一块磁铁。
圆偏振太赫兹光脉冲激发的手性声子在氟化铈中产生超快磁化。氟离子（红色、紫红色）在圆偏振太赫兹光脉冲（黄色螺旋）的作用下开始运动，其中红色表示手性声子模式下运动幅度最大的离子。铈离子用茶色表示。罗盘针代表旋转原子所引起的磁化。资料来源：Mario Norton 和罗家明/莱斯大学
根据最近发表在《科学》（Science）杂志上的一项研究，将氟化铈暴露在超快脉冲光下，其原子会跳起舞来，瞬间激发电子自旋，使它们与原子旋转对齐。这种排列需要强大的磁场才能激活，因为氟化铈具有天然顺磁性，即使在零度以下也能产生随机定向的自旋。
每个电子都有一个磁性自旋，它就像一个嵌入材料中的微小罗盘针，会对局部磁场产生反应，莱斯大学材料科学家兼合著者鲍里斯-雅科布森（Boris Yakobson）说。因为互为镜像而不会叠加，本不应该影响电子自旋的能量。但在这种情况下，原子晶格的手性运动会使材料内部的自旋极化，就像施加了一个大磁场一样"。
Boris Yakobson 是莱斯大学 Karl F. Hasselmann 工程学教授、材料科学与纳米工程学教授以及化学教授。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学
虽然时间很短，但使自旋对齐的力却大大超过了光脉冲的持续时间。由于原子只在特定频率下旋转，并且在较低温度下移动的时间较长，与频率和温度相关的额外测量进一步证实，磁化是原子集体手性"舞蹈"的结果。
朱瀚宇是莱斯大学威廉-马什-莱斯讲座教授兼材料科学与纳米工程助理教授。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学
"原子运动对电子的影响令人惊讶，因为电子比原子轻得多，速度也快得多，"莱斯大学威廉-马什-莱斯讲座教授、材料科学与纳米工程助理教授朱瀚宇说。"电子通常可以立即适应新的原子位置，忘记其先前的轨迹。如果原子顺时针或逆时针移动，即在时间上向前或向后移动，材料特性将保持不变--物理学家将这种现象称为时间逆对称性。"
原子的集体运动打破了时间逆对称性，这一观点相对较新。目前，手性声子已在几种不同的材料中得到实验证明，但它们究竟如何影响材料特性还不甚明了。
"我们希望定量测量手性声子对材料电学、光学和磁学特性的影响，"朱瀚宇说。"由于自旋指的是电子的旋转，而声子描述的是原子的旋转，因此人们天真地认为两者可能会相互影响。因此，我们决定重点研究一种叫做自旋-声子耦合的奇妙现象。"
自旋-声子耦合在硬盘写入数据等实际应用中发挥着重要作用。今年早些时候，朱的研究小组在单分子层中展示了自旋-声子耦合的新实例，其中原子线性移动，自旋晃动。
罗家明是莱斯大学应用物理学研究生，也是这项研究的第一作者。资料来源：Jeff Fitlow/莱斯大学
在他们的新实验中，朱和团队成员必须找到一种方法来驱动原子晶格以手性方式运动。这就要求他们选择正确的材料，并在合作者理论计算的帮助下，以正确的频率产生光线，使其原子晶格旋转。
这项研究的第一作者、应用物理学研究生罗佳明解释说："目前还没有现成的光源能达到我们的声子频率（约 10 太赫兹）。我们通过混合强红外光和扭曲电场来与手性声子'对话'，从而产生光脉冲。此外，我们还采取了另外两种红外光脉冲，分别监测自旋和原子运动。"
除了从研究成果中获得有关自旋-声子耦合的见解外，实验设计和设置还将有助于为未来的磁性和量子材料研究提供信息。
"我们希望定量测量手性声子产生的磁场能帮助我们制定实验方案，以研究动态材料中的新物理学，我们的目标是通过光或量子波动等外部场来设计自然界不存在的材料。
林彤、朱汉宇和罗家明
林彤（左起）、朱汉宇和罗家明在 EQUAL 实验室。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学