2026年7月31日——当光照射到材料上时，其中一部分会被散射回来。通过分析这些散射光，研究人员可以了解材料内部原子的排列方式及其运动状态。

然而，近年来科学家报告了一种令人费解的现象。在左右手结构没有区别的晶体——即非手性晶体——中，散射光的强度会随着入射光和出射光所使用的圆偏振组合而变化（示意图）。这种行为此前被认为主要出现在手性分子或磁性材料中。这就引出了一个重要的问题：为什么它在非手性晶体中也会出现？

为了解开这个谜团，东京科学大学（Science Tokyo）的Takuya Satoh教授领导的研究团队将目光聚焦于一种名为钛酸镍（NiTiO₃）的晶体。这种晶体是非手性的，并保持着反演对称性。然而，尽管其原子并非排列成真正意义上的扭曲结构，但它们的排列围绕某一特定轴存在微小的旋转畸变，且所有畸变都沿同一旋转方向对齐。

这种旋转方向在整个晶体中一致排列的状态被称为铁轴向序。重要的是，这种旋转畸变不同于手性——即我们熟知的左右手属性。研究人员怀疑这种不可见的旋转方向可能正是解开谜团的关键，并设计实验验证了这一假设。

为何重要

研究团队的假设挑战了人们对材料与光相互作用的传统理解。利用圆偏振拉曼光谱技术，研究人员发现散射光的强度确实会随着圆偏振组合的变化而发生明显改变。

值得注意的是，这一差异比在手性分子中通常观察到的拉曼光学活性大约大1000倍。这意味着，此前极难检测到的晶体性质如今可以被更加清晰地观察到。

但造成这种差异的原因是什么？实验证实了这种异常光学响应是真实存在的。然而，仅靠测量本身无法解释其产生的原因。因此，研究人员利用对称性分析和第一性原理计算，详细探究了原子排列、电子态与光学响应之间的关系。

他们的结果表明，铁轴向序——即晶体原子排列中旋转畸变的取向一致——在原子振动与电子态耦合的方式上造成了两个旋转方向之间的差异。正是这种相互作用产生了所观察到的光学响应。

因此，这项研究首次清晰地解释了为什么即使是非手性、中心对称的晶体，也能对圆偏振光产生不同的响应。研究过程中最大的挑战之一是确定光学响应的差异究竟是晶体本身的固有属性，还是测量设备造成的人为假象。研究人员通过测量晶体的两侧、改变激光的颜色（即波长），并将结果与晶体内部结构畴的分布进行对比，逐一检验了每种可能性。这些测试证实，这种光学响应确实源自晶体本身。

下一步计划

这项研究引入了一种新的光学方法，用于检测晶体原子排列中隐藏的旋转畸变。该方法有望使此前难以观察的晶体性质得到研究，从而可能推动新材料的发现，并加深对材料工作机制的理解。

这些发现还可能有助于开发新的光学测量技术，以及利用原子振动和电子行为开展的材料研究。未来，它们有望为光学器件和先进电子材料的发展提供支撑。