Kiralitet – egenskapen hos ett objekt som skiljer sig från dess spegelbild – har länge fascinerat forskare inom biologi, kemi och fysik. Fenomenet kallas ibland för ”handighet”, eftersom det avser ett objekt som har en tydlig vänster- eller högerform. Det är en universell egenskap som finns i olika skalor i naturen, från molekyler och aminosyror till den berömda dubbelhelixen i DNA och snäckornas spiralformade mönster.
Nu har forskare vid Princeton University upptäckt ett dolt kiralt kvanttillstånd i ett material som tidigare ansågs vara icke-kiralt. Upptäckten kastar ljus över en intensiv debatt inom fysikvärlden och utvidgar vår förståelse av vad som är möjligt i kvantvärlden.
I en studie som nyligen publicerades i Nature Communications använde teamet under ledning av M. Zahid Hasan, Eugene Higgins-professor i fysik vid Princeton University, ett nyutvecklat skannande fotoströmskop (SPCM) för att avslöja de svårfångade symmetribrytningarna som ligger till grund för en laddningsdensitetsvåg i KV₃Sb₅, ett topologiskt material med Kagome-gitter.
Deras fynd bidrar till att lösa en långvarig kontrovers om huruvida sådana material spontant kan bryta symmetri för att bilda kirala kvanttillstånd – en upptäckt som kan bana väg för nya kvanttekniker.
Forskare har sett ett liknande fenomen i icke-topologiska system, men detta är första gången som sådan kiral symmetri har brutits i ett topologiskt kvantmaterial i bulk.
”Det är ungefär som att rikta James Webb-teleskopet mot kvantvärlden och upptäcka något nytt”, säger Hasan. ”Vi kan äntligen lösa subtila kvanteffekter som tidigare varit dolda i ett topologiskt kvantmaterial.”
Kagome-gitteret är ett tvådimensionellt geometriskt mönster som består av trianglar som delar hörn. Det har fått sitt namn efter ett traditionellt vävt bambukorgsmönster som är vanligt i Japan och länge har varit en central plattform för att utforska exotiska kvantfaser.
Under lång tid ansågs det vara inneboende achiralt, vilket innebär att det saknar händighet. Men 2021 använde Hasans grupp ett högupplöst sveptunnelmikroskop (STM) och upptäckte att KV₃Sb₅ under vissa förhållanden spontant bildar en ovanlig laddningsdensitetsvåg – en periodisk modulering av elektronisk densitet.
Denna upptäckt, som resulterade i en artikel i Nature, väckte spännande frågor om huruvida chiralitet i form av en laddningsordning kan uppstå ovanpå ett icke-kiralt Kagome-gitter. Artikeln är en av de tre mest citerade artiklarna inom området på grund av de frågor den har väckt.
En spontan laddningsordning i fysiken är en typ av fasövergång (som när vatten förvandlas till is) som inträffar när elektriska laddningar bildar icke-slumpmässiga mönster. I huvudsak skapas ett ordnat tillstånd från ett initialt oordnat tillstånd genom en process som kallas spontan symmetribrytning.
Det har dock visat sig vara mycket svårt att upptäcka de specifika symmetrier som bryts under denna övergång i vissa klasser av topologiska material. Subtila skillnader mellan vänster- och högerhänta kvanttillstånd i sådana kvantmaterial har länge undgått konventionella mättekniker.
Observation av den longitudinella cirkulära fotogalvaniska effekten i KV3Sb5. Källa: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-58262-y
För att lösa detta har doktoranden Zi-Jia Cheng och postdoktoranden Shafayat Hossain, två av huvudförfattarna till artikeln, konstruerat ett skannande fotoström-mikroskop som kan detektera detta topologiska materials icke-linjära elektromagnetiska respons under cirkulärt polariserat ljus.
Detta mikroskop skiljer sig från ett skanningstunnelmikroskop, som vanligtvis har använts i denna typ av experiment. SPCM har inte lika hög upplösning som STM, men används när målet är att karakterisera optiskt aktiva material och studera deras fotoströmsbeteende på lokal skala. En kombination av STM och SPCM ger sedan en fullständig avbildning av den mångkroppiga kvantvågfunktionen.
”I denna uppställning riktar vi och fokuserar koherent ljus på provet som placeras i en specialdesignad kvantmekanisk anordning, och när ljuset interagerar med provet genereras en fotoström som vi kan mäta”, säger Hasan.
Tillsammans med den tidigare postdoktoranden Qi Zhang tillverkade forskarna ultrarena kvantkristallanordningar och kylde ner dem till iskalla 4 grader Kelvin för mätningen.
Vid höga temperaturer visade fotoströmmen ingen preferens mellan höger- och vänsterhänt cirkulärt ljus. Men när materialet kyldes ned under dess laddningsdensitetsvågövergång inträffade en anmärkningsvärd förändring: fotoströmmen blev högerhänt, ett tydligt tecken på chiralitet som kallas cirkulär fotogalvanisk effekt.
Forskarna uppnådde detta genom att först belysa gitterstrukturen med högercirkulärt koherent polariserat (högerhänt) ljus och sedan mäta dess ström. Därefter belyses strukturen med vänsterhänt ljus och strömmen mäts. De kunde se en mycket tydlig skillnad mellan de två.
”Våra mätningar pekar direkt på brutna inversions- och spegelsymmetrier och belyser den topologiska naturen hos detta kvantmaterial som uppvisar laddningsordning”, säger Cheng. ”Detta fastställer för första gången den inneboende kirala naturen hos det laddningsordnade tillståndet i ett topologiskt material.”
Trots detta är en förklaring till detta fenomen fortfarande svår att hitta. ”Vi har bekräftat fenomenet, men vi har ännu ingen rigorös teori om varför det uppstår”, tillägger Hasan. ”Vi förstår fortfarande inte helt.”
Implikationerna sträcker sig dock bortom grundforskningen. Enligt Hasan kan kirala kvanttillstånd en dag driva nya optoelektroniska och fotovoltaiska teknologier. ”Det är överraskande att ett framväxande kiralt tillstånd kan generera en så uttalad respons som aldrig tidigare har rapporterats”, säger han. ”Detta arbete visar också att andra ordningens elektromagnetiska mätningar är ett kraftfullt verktyg för att upptäcka subtila symmetribrott i topologiska material.”
Symmetribrott är viktigt eftersom det förklarar uppkomsten av ordnade tillstånd i naturen, och att förstå hur processen fungerar är ett grundläggande mål för vetenskaplig forskning. Symmetriska teorier inom fysiken är ramverk där de lagar som styr universum förblir konstanta under specifika förhållanden. Dessa teorier är väsentliga för att förstå universum och är faktiskt grundläggande för vetenskaplig forskning.
Mycket av den verkliga världen är dock i själva verket asymmetrisk till sin natur. Därför är det avgörande att förstå hur och under vilka förhållanden symmetrier bryts för att förstå många begrepp inom fysiken, såsom fasövergångar, magnetism och supraledning, samt topologiska beteenden, för att nämna några.
Hur ser framtiden ut? Hasan är optimistisk: ”Detta är bara början. Med dessa känsliga verktyg, vem vet vilka dolda världar av topologisk kvantmateria vi kommer att upptäcka härnäst.”
Mer information: Zi-Jia Cheng et al, Broken symmetries associated with a Kagome chiral charge order, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-58262-y
