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争论得到解决：声子可以是手性的

研究人员利用共振非弹性X射线散射(RIXS)技术证实了手性声子的存在。他们将圆偏振光照射在石英上，光子的角动量转移到晶体中，导致阴离子(带有p轨道的橙色球体)相对于邻近的阳离子(绿色球体)发生旋转。

在Nature上发表的研究结果解决了争议：声子可以是手性的。这一基本概念是通过使用圆形X光来发现的，声子在石英中螺旋式地扭动。

在自然界的各个尺度上，都可以找到手性或左右手性。试想用两只不对映镜像的手吃三明治会是什么样子，再考虑由于给予错误的药物对映异构体所引起的药理学灾难，或者在亚原子尺度上，粒子物理学中的宇称概念的重要性。现在，由瑞士保罗·谢勒研究所(PSI)的研究人员领导的一项新研究表明，声子也可以具有这种性质。

声子是描述晶体晶格中原子集体振动激发的准粒子，可以将其想象为原子的爱尔兰河舞蹈。物理学家预测，如果声子能够表现出手性，那么它们可能对材料的基本物理性质产生重要影响。近年来，随着对表现出奇特电子和磁性表面特性的拓扑材料的研究迅速增长，对手性声子的兴趣也增加了。然而，有关它们存在的实验证据一直难以找到。

让声子具有手性的是它们舞蹈的步骤。在这项新研究中，原子振动扭曲成一种像螺旋形的前进运动。这种螺旋运动是一直追寻这一现象的原因之一。如果声子能像形成线圈的电线圈一样以这种方式旋转，那么它们也许可以在材料中产生磁场。

正是这种可能性激励了PSI的Urs Staub团队领导这项研究。他说：“正是因为我们处于超快速X射线科学和材料研究的交汇处，所以我们可以从不同的角度来解决这个问题。”研究人员对利用手性光来操纵材料的手性模式感兴趣。

研究人员利用石英进行实验，石英是最为人所知的矿物之一，其原子(硅和氧)形成手性结构。他们展示了如何利用RIXS技术在英国的Diamond Light Source进行圆偏振光与手性声子的耦合，并利用瑞士苏黎世联邦理工学院(Carl Romao和Nicola Spaldin)和德国德累斯顿Max Planck研究所(Jeroen van den Brink)的理论描述来支持这一过程将创建和检测手性声子的群体。

在实验中，圆偏振光照射在石英上。光子具有角动量，将其转移给原子晶格，使振动变成螺旋形运动。声子旋转的方向取决于石英晶体的内在手性。当圆偏振光与激发出声子的方向相同时，信号会增强，就可以检测到手性声子。

这是一项经过精心计划的实验，进行了仔细的理论计算，然后出现了一些奇怪的事情：几乎一切都按计划进行。一旦他们分析了结果，光的手性翻转时响应的差异是不可否认的。

PSI科学家和发表论文的第一作者Hiroki Ueda回忆道：“结果几乎立即令人信服，特别是当我们将其与其他石英对映异构体进行比较时。”他坐在电脑前分析数据，第一个看到结果：“我一直检查我的分析代码，确保它是真实的。”Staub强调：“这不正常！科学通常不会这样工作！”

在寻找手性声子的过程中，出现了几个虚假警报。这项研究是否会解决争论？“是的，我认为是这样的，这是这项工作的美妙之处。”Staub认为，他的观点得到了Nature的审稿人员的认同。“因为它是简单的、美丽的和直接的。它很明显。这就是手性运动的原因。”

本文译自 phys.org，由 bali 编辑发布。

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