萊斯大學的研究人員發現，晶體中的手性聲子能使材料磁化，以類似強磁場效應的方式排列電子自旋。這項發現挑戰了物理學中的既有觀念，尤其是時間反轉對稱的概念，為量子材料的高級研究鋪平了道路。

萊斯大學的研究利用手性聲子實現了變革性的量子效應。量子材料是未來高速、高能效資訊系統的關鍵。挖掘其變革潛力的問題在於，在固體中，大量原子往往會淹沒電子所攜帶的奇異量子特性。

量子材料科學家朱瀚宇實驗室的研究人員發現，當原子繞圈運動時，它們也能創造奇蹟： 當稀土晶體中的原子晶格產生一種被稱為手性聲子的螺旋形振動時，晶體就會變成一塊磁鐵。

圓偏振太赫茲光脈衝激發的手性聲子在氟化鈰中產生超快磁化。氟離子（紅色、紫紅色）在圓偏振太赫茲光脈衝（黃色螺旋）的作用下開始運動，其中紅色表示手性聲子模式下運動幅度最大的離子。鈰離子用茶色表示。羅盤針代表旋轉原子所引起的磁化。資料來源：Mario Norton 和羅家明/萊斯大學

根據最近發表在《科學》（Science）雜誌上的一項研究，將氟化鈰暴露在超快脈衝光下，其原子會跳起舞來，瞬間激發電子自旋，使它們與原子旋轉對齊。這種排列需要強大的磁場才能激活，因為氟化鈰具有天然順磁性，即使在零度以下也能產生隨機定向的自旋。

每個電子都有一個磁性自旋，它就像一個嵌入材料中的微小羅盤針，會對局部磁場產生反應，萊斯大學材料科學家兼合著者鮑里斯-雅科布森（Boris Yakobson）說。因為互為鏡像而不會疊加，本來就不應該影響電子自旋的能量。但在這種情況下，原子晶格的手性運動會使材料內部的自旋極化，就像施加了一個大磁場一樣”。

Boris Yakobson 是萊斯大學Karl F. Hasselmann 工程學教授、材料科學與奈米工程學教授、化學教授。圖片來源：Jeff Fitlow/萊斯大學

雖然時間很短，但自旋對齊的力卻大大超過了光脈衝的持續時間。由於原子只在特定頻率下旋轉，並且在較低溫度下移動的時間較長，與頻率和溫度相關的額外測量進一步證實，磁化是原子集體手性”舞蹈”的結果。

朱瀚宇是萊斯大學威廉-馬什-萊斯講座教授兼材料科學與奈米工程助理教授。圖片來源：Jeff Fitlow/萊斯大學

“原子運動對電子的影響令人驚訝，因為電子比原子輕得多，速度也快得多，”萊斯大學威廉-馬什-萊斯講座教授、材料科學與奈米工程助理教授朱瀚宇說。”電子通常可以立即適應新的原子位置，忘記其先前的軌跡。如果原子順時針或逆時針移動，即在時間上向前或向後移動，材料特性將保持不變–物理學家將這種現象稱為時間逆對稱性。”

原子的集體運動打破了時間逆對稱性，這觀點相對較新。目前，手性聲子已在幾種不同的材料中得到實驗證明，但它們究竟如何影響材料特性還不甚明了。

“我們希望定量測量手性聲子對材料電學、光學和磁學特性的影響，”朱瀚宇說。”由於自旋指的是電子的旋轉，而聲子描述的是原子的旋轉，因此人們天真地認為兩者可能會相互影響。因此，我們決定重點研究一種叫做自旋-聲子耦合的奇妙現象。”

自旋-聲子耦合在硬碟寫入資料等實際應用中發揮重要作用。今年早些時候，朱的研究小組在單分子層中展示了自旋-聲子耦合的新實例，其中原子線性移動，自旋晃動。

羅家明是萊斯大學應用物理學研究生，也是這項研究的第一作者。來源：Jeff Fitlow/萊斯大學

在他們的新實驗中，朱和團隊成員必須找到一種方法來驅動原子晶格以手性方式運動。這就要求他們選擇正確的材料，並在合作者理論計算的幫助下，以正確的頻率產生光線，使其原子晶格旋轉。

這項研究的第一作者、應用物理學研究生羅佳明解釋說：「目前還沒有現成的光源能達到我們的聲子頻率（約10 太赫茲）。我們透過混合強紅外光和扭曲電場來與手性聲子’對話’，從而產生光脈衝。此外，我們還採取了另外兩種紅外光脈衝，分別監測自旋和原子運動。”

除了從研究成果中獲得有關自旋-聲子耦合的見解外，實驗設計和設置還將有助於為未來的磁性和量子材料研究提供資訊。

“我們希望定量測量手性聲子產生的磁場能幫助我們制定實驗方案，以研究動態材料中的新物理學，我們的目標是透過光或量子波動等外部場來設計自然界不存在的材料。

林彤、朱漢宇和羅家明

林彤（左起）、朱漢宇和羅家明在EQUAL 實驗室。圖片來源：Jeff Fitlow/萊斯大學