中国科大揭示二维笼目晶格中的电子手性可导致声子手性

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心（ICQD）张振宇教授、崔萍研究员课题组与牛谦教授等合作，在量子材料中手性声子的理论研究方面取得重要进展，发现二维笼目晶格中以回路电流序形式所体现的电子手性可导致矢量型电声耦合，并进一步诱导出手性声子。这一新颖机制有别于手性声子必须源于手性结构或磁性的传统理解，分别对应于空间反演破缺或时间反演破缺。该成果以“Emergence of Chiral Phonons in Two-Dimensional Kagome Lattices Harboring Electronic Chirality”为题于9月17日在线发表在国际知名物理学杂志《物理评论快报》上。

手性广泛存在于现实世界的众多领域，其特征是实物与其镜像无法重合。2015年，牛谦教授等人所提出的手性声子，是具有圆形或椭圆形的振动模式并携带有限声子角动量的元激发。近年来，手性声子得到领域的广泛关注，并拓展到诸多物理过程，如声子塞曼效应、爱因斯坦–德哈斯效应、自旋塞贝克效应等。随着该研究领域的不断推进，探索手性声子可能存在的新体系与新机制，并揭示其在关联电子等体系手性集体效应中的作用，是该领域的前沿焦点与挑战。

手性声子的出现要求打破体系的空间反演对称性或/和时间反演对称性。该研究团队发现，即便在不具备原子结构手性且无磁性的笼目晶格中，源于回路电流序的电子手性也可通过矢量型电声耦合作用诱导出手性声子，而非传统的标量形式（如下图所示）。该研究的核心结论通过层状化合物AV₃Sb₅(A=Cs,Rb,K)中的两种典型回路电流序得以展示：一种为以纯虚数电荷键序描述的受限手性通量相，另一种为以复数电荷键序描述的广义手性通量相。背后的微观物理机制可归因于回路电流序所产生的分子贝利曲率，并通过电声耦合表现为非局域、破坏声子时间反演对称性的有效磁场，类似于传统的安培定律，进而将电子系统中手性“遗传”给声子。该发现为解释本身不具备手性结构的量子材料中的手性起源提供了新见解，并为理解手性电荷密度波、手性超导等多种手性电子集体现象奠定了重要基础。

笼目晶格中以回路电流序形式存在的电子手性，通过矢量型电声耦合作用“遗传”给原子振动，从而产生声子手性。

合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心新近毕业的陈彦如博士为第一作者，崔萍研究员为通讯作者。该项研究工作得到了科技部科技创新2030、国家自然科学基金委、中国科学院B类先导专项和安徽省重点研发等项目的资助。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/bfll-sdrb

(合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、科研部)