手性是对称性的一种普遍的形式，手性与固体材料的物理学性质密切相关，还与分子体系的化学以及生物活性有关。但是，非手性材料如何形成手性仍然是个挑战，这是因为需要同时打破镜像对称性和旋转反转对称性。有鉴于此，马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所/牛津大学A. Cavalleriden等通过太赫兹脉冲，在非手性压电材料BPO4中产生手性中的任意一种。两种正交简并振动模式中的任意一种共振激发决定了诱导手性序列的符号。这种光诱导的光学相变化性质与手性α-石英模型相当。这项研究发现有助于控制复杂材料处于非平衡态的量子现象。BPO4是一种反铁磁手性材料，如图1B所示为BPO4的晶格以及左手、右手结构。原子坐标沿着B对称模式的位移能够导致相反手性发生简并，产生手性态。图2A展示了这种行为，其中原子沿着B对称模式的移动能够分别增强、降低局部的左手、右手手性结构的振幅。因此通过声子的位移能够控制亚铁手性态的手性。比如，控制幅度QB，为这些材料体系的手性提供理性设计的可能。 这种光诱导手性现象难以通过外场激发产生，这是因为需要与特定方向的位移和特定晶格模式之间耦合。这项研究通过非线性声子实现了这种现象（非线性声子是相干光控制原子的有效策略）。原子位移导致延时的脉冲产生两种光学效应，分别是手性（chirality）和双折射（birefringence）。光学活性与希望得到的手性有关，但是因为晶体的四重对称性导致产生双折射，这种双折射需要从总体的光信号中减去，从而得到光学活性。图3A和3B展示了光学活性和双折射分别随着时间的改变、QE,a沿着a轴的激发模式。通过瞬态晶体结构并且考虑了光学介电常数的B模式进行计算，模拟计算是使用从头算DFT理论计算。光学活性单独能够产生特征性的偏振旋转，这种偏振旋转与a-b平面的入射光的偏振无关(图3A，插图)。但是，双折射导致对入射光的极化产生四重对称性的极化旋转响应（图3B），同时不会改变整个入射极化光的平均信号数值。当使用电场为5 MV/cm的太赫兹泵浦光，通过对入射极化光的计算，得到了随时间变化的极化旋转信号（图3C）。当泵浦的极化方向沿着b轴方向激发，能够产生B对称模式的位移发生改变。因此，光学活性和双折射都发生反转（图3D和3E），使得整体的机选旋转信号的符号发生改变（图3F）。 如图4A所示，使用太赫兹极化光验证了理论预测的结果。在室温下，使用19 THz频率和3 THz宽度的光激发BPO4样品，激发的光量达到5.0 mJ/cm2，产生的峰值电场达到5.1 MV/cm。如图4B所示，为泵浦声子激发沿着晶体a轴方向的时间依赖性旋转。因为瞬态双折射效应，信号与入射光的偏振具有90°的周期性。如图4C所示，因为双折射的调制作用，因此瞬态光活性通过提取延时的入射偏振光信号的平均值。得到的信号产生正信号，因此明确了非平衡手性态的证据。随后，将泵浦极化光旋转90°，调节得到沿着b轴E对称性的声子。如图4D和4E所示，为相对应的时间依赖性极化旋转图，结果表明，信号的符号相反，与a轴激发不同，b轴激发表现的亚铁手性态产生了方向相反的手性。 通过进一步对光诱导手性态的表征，研究非线性光学机理（图5）。如图5A所示为19 THz脉冲的旋转功率与峰值电场之间的关系，这个关系表现不同泵浦极化表现二次场依赖性（quadratic field dependence），而且对两个不同极化方向的光具有符号相反的现象。此外，当激发脉冲调谐到双简并的E对称性声子18.9 THz横向光学频率时，非平衡旋转功率的幅度共振增强（图5B）。这项研究如果拓展到亚铁手性材料体系能够实现超快速的非线性声子切换，其能够应用于超快存储设备，以及更加复杂的含有手性材料的光驱动光电平台。更加广泛的是，这种手性具有超快速的产生速度，而且能够在相反的手性之间切换，因此有可能应用于探索非平衡态的复杂物质的新型现象，尤其是手性起到重要作用的拓扑材料体系和关联体系。Z. Zeng et al. , Photo-induced chirality in a nonchiral crystal.Science387,431-436(2025). DOI: 10.1126/science.adr4713https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr4713
