首次在三维材料中观察到真正的手性声子

手性是反射和反转对称性的破坏。简单地说，就是物体的镜像不能相互叠加。一个常见的例子是你的两只手——虽然它们是彼此的镜像，但它们永远不能重叠。手性出现在自然界的各个层面，无处不在。

除了静态手性之外，手性也可能由于包括旋转在内的动态运动而发生。考虑到这一点，我们可以区分真假手性。如果在平移时空间反转不等于时间反转与适当的空间旋转相结合，则系统是真正的手性系统。

声子是与晶格中原子的振动相关的能量量子(或小包)。最近，具有手性特性的声子已在二硒化钨等二维(2D)材料中被理论化和实验发现。发现的手性声子正在旋转——但不传播——原子运动。但是，真正的手性声子将是既旋转又传播的原子运动，而这些在三维(3D)体系统中从未观察到。

现在，由东京工业大学(TokyoTech)的科学家领导的一组研究人员已经在理论上和实验上确定了真正的手性声子。他们的工作发表在《自然物理学》上。由东京工业大学物理系佐藤卓也教授领导的研究小组观察了朱砂中的手性声子(α-HgS)。这是通过结合第一性原理计算和称为圆偏振拉曼散射的实验技术来实现的。

“可以使用手性技术探测手性结构。因此，使用具有自己的旋向性(即右旋或左旋性)的圆偏振光是至关重要的。动态手性结构可以使用伪角动量(PAM).伪动量和PAM分别源自离散平移和旋转对称操作获得的相位因子，”Satoh教授解释说。

研究人员的新颖实验方法也使他们能够探索PAM的基本特征。他们发现PAM守恒定律(物理学的关键定律之一)适用于圆偏振光子和手性声子之间。

“我们的工作还提供了一种使用PAM识别手性材料旋向性的光学方法。也就是说，我们可以确定材料的旋向性，其分辨率比X射线衍射(XRD)所能达到的分辨率更高。此外，XRD需要足够大的晶体，是侵入性的，并且可能是破坏性的。另一方面，圆偏振拉曼散射使我们能够以非接触和非破坏性的方式确定XRD无法确定的结构的手性，”Satoh教授总结道。

这项研究首次在3D材料中识别出真正的手性声子，这些声子明显不同于之前在2D六边形系统中看到的那些。这里获得的知识可以推动新的研究，开发通过在未来设备中传播手性声子将PAM从光子转移到电子自旋的方法。此外，这种方法能够以改进的方式确定晶体的真正手性，为实验者和研究人员提供了一种新的关键工具。