上海交通大学李政道研究所蒋庆东研究组在手性分子选择领域取得阶段性进展

手性的概念最早可追溯到1848年，当时路易·巴斯德观察到有两种晶体类似于我们的双手，彼此互为镜像但无法完全叠合。手性是自然界的基本属性，许多分子会形成互为镜像的两种结构，这两种结构无论如何旋转都无法完全重合，因此这些分子通常被称为手性分子。互为实物与镜像的一组分子被称为对映异构体。有趣的是，构成生命体的大多数有机分子都是手性分子，并且几乎都以单一异构体的形式存在。由于对映异构体在物理性质上的相似性，如何有效地鉴别和选择特定手性的分子则成为了一个关键的科学问题。

蒋庆东研究组提出，在螺旋微腔（gyrotropic microcavity）中，真空量子涨落能够引起手性依赖的能谱位移 [1]，如图（a）所示。由于微腔的影响，相反手性的对映异构体具有不同的基态能量，它们在参与化学反应时需要越过的反应势垒也不同，如图（b）所示。因此，利用该效应可以通过化学反应的方式，有效地产生特定手性的分子。相关成果近日已发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters），链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.223601

利用真空量子涨落来在化学反应中选择特定手性的分子，这一研究方向的前景十分广阔。初听之下，此举似乎是不可能的，因为根据定义，真空中不包含任何物质，也就不应对化学反应产生影响。然而，事实并非如此，因为真空并非完全"空无一物"，真空中的量子涨落引发了多种著名现象，包括电子反常磁矩、兰姆位移、卡西米尔效应以及原子自发辐射等。

在过去的研究中，通常认为真空量子涨落不牵涉对称性破缺信息，通常只能导致对映异构体发生相同的能级位移，从而难以区分手性分子。然而，在2018年，蒋庆东与诺贝尔奖得主Frank Wilczek提出了量子大气效应的概念。量子大气效应指的是材料内部的对称性破缺能够通过量子涨落传递至其邻近的真空区域，这一真空区域被称为该材料的量子大气。

例如，螺旋微腔（gyrotropic cavity）破坏了镜面对称性，因此其内部的量子大气具备了镜面对称性破缺特征，从而能够对处于其中的对映异构体产生不同的影响。这项研究成果表明，螺旋微腔内部的量子大气能够引起手性相反的分子发生不同的能级移动，为实现手性分子的选择性合成提供了全新的方案。

该项研究在上海交通大学李政道学者蒋庆东的指导下完成：本科生柯彦哲作为第一作者，出色地完成了核心解析推导工作；哈佛大学博士后宋志刚作为共同第一作者为该项研究提供了重要的计算支持。这项研究得到了浦江人才计划、交大2030计划以及科技创新2030计划的资助。

参考文献：

[1] Vacuum-Induced Symmetry Breaking of Chiral Enantiomer Formation in Chemical Reactions, Yanzhe Ke, Zhigang Song, and Qing-Dong Jiang, Phys. Rev. Lett. 131, 223601 (2023)

[2] Quantum atmospherics for materials diagnosis,

Qing-Dong Jiang and Frank Wilczek, Phys. Rev. B 99, 201104(R) (2019)