掌性(chirality),指的是一個物體無法與自己的鏡像重疊的幾何性質,它在物理科學與生命科學中都占有核心地位,磁掌性非等向性(magneto-chiral anisotropy)、不對稱合成,以及藥物的對映選擇性作用,都建立在掌性之上。正因為掌性如此重要,科學家長期投入心力設計掌性材料,例如晶體生長、分子合成與奈米結構製造。另一條路線則是用外部刺激來操控掌性,理想上還要能連續且雙向地調控。處在非掌性與掌性相變附近的材料就特別受到關注,因為這類材料本身並不穩定,容易被應力或壓力擾動;但這些做法只能調節材料原本就存在的掌性,無法憑空誘導出掌性,更無法事先指定誘導出來的是左旋還是右旋。最近雖然有研究證明,用兆赫茲光脈衝激發特定的聲子模式,可以在非掌性系統中誘導出指定旋向的掌性,但旋向是由光場的偏振所決定。這個領域真正的癥結在於,掌性缺少一個能與它線性耦合的普適共軛場:應力、極化與磁化都是帶有方向性的物理量,而掌性卻是一個沒有方向性的贗純量(pseudoscalar),兩者性質南轅北轍,使得應力與掌性之間的耦合始終難以捉摸。這一點格外可惜,因為應力工程早已是調控材料功能的利器,同樣源自應力的壓電效應與壓磁效應都已被深入研究並廣泛應用,唯獨應力與掌性之間的線性耦合,過去從未被探討過。
近日,德國馬克斯普朗克物質結構與動力學研究所與英國牛津大學的研究團隊,提出並驗證了「壓掌效應(piezochiral effect)」,也就是用應力在材料中誘導出掌性。他們先定義出壓掌張量,接著用群論檢視全部32個晶體點群,找出四個本身非掌性、卻允許壓掌效應的點群。研究團隊以其中的硫鎵銀(silver gallium sulfide,AgGaS₂)為模型系統,硫鎵銀的每個晶胞裡都藏著旋向相反的掌性次結構,兩者互相抵消,整體呈現非掌性。密度泛函理論計算顯示,單軸應力會打破左旋與右旋次結構之間的簡併,讓晶胞出現掌性。實驗上,研究團隊以808 nm的近紅外光量測受應力單晶的旋光,發現旋光與應力呈線性關係,而且把壓縮應力換成拉伸應力,或把施力方向由x換成y,誘導出的旋向都會反轉;僅0.02%的單軸應力,就能產生約α-石英10%的旋光。研究團隊依此研究結果,建立了線上資料庫,整理出四萬多種可能具備壓掌效應的候選材料。