當你擲球時，你用什麼手?左撇子自然用左手扔東西，而右撇子則用右手。這種天生偏愛某一邊而不喜歡另一邊的習慣被稱為偏手性，而且幾乎隨處可見——從原子結構向左傾斜的葡萄糖分子，到只用右手“握手”的狗。

偏手性可以在手性中表現出來——兩個物體，比如一副手套，可以是彼此的鏡像，但不能重疊在一起。現在，由伯克利實驗室領導的一組研究人員在一種具有可逆電學性質的材料中，首次觀察到極空子(類似於微小磁渦旋的準粒子)的手性。極子和這些電學特性的結合可能有一天會帶來更強大的數據存儲設備，即使在設備斷電後，這些設備仍能保存信息。

他們的發現發表在《自然》雜志上。

圖片:賓夕法尼亞州立大學鄭曉星;橡樹嶺國家實驗室;伯克利實驗室的Ramamoorthy Ramesh

模擬單極天宮。紅色箭頭表示這是一個左旋的天空粒子。其他箭頭表示偶極子的角分佈。

“我們的發現令人難以置信，”拉莫西·拉梅什(Ramamoorthy Ramesh)說。“我們沒有計劃製作skyrmions。因此，對我們來說，最終製造出一個手性的skyrmion是令人興奮的。”

——共同領導的研究小組時,拉梅什和車道馬丁,一個科學家在伯克利實驗室材料科學部門,加州大學伯克利分校材料科學與工程教授——2016年開始這項研究,他們開始尋找方法來控制熱量穿過材料。因此，他們用交替層的鈦酸鉛(一種極性材料，一端帶正電荷，另一端帶負電荷)和鈦酸鍶(一種絕緣體，或一種不導電的材料)製造了一種特殊的晶體結構，稱為超晶格。

但是一旦他們把莖(掃描透射電子顯微鏡)測量鈦酸鉛/鈦酸鍶的超晶格在分子鑄造,美國能源部科學辦公室用戶設備在伯克利實驗室,專門從事納米科學,他們看到了奇怪的東西,沒有任何關系與熱:泡沫狀的形態出現在整個設備。

泡沫,泡沫無處不在

那麼這些“泡沫”是什麼?它們是如何形成的?

事實證明，這些氣泡是極性的天空粒子——或者是由相反的電荷組成的結構，即偶極子。研究人員一直認為，skyrmion只會出現在磁性材料中，在磁性材料中，帶電電子的磁自旋之間的特殊相互作用穩定了skyrmion的手性扭曲模式。因此，當伯克利實驗室領導的研究小組在一種電子材料中發現了skyrmions時，他們大吃一驚。

通過研究人員的合作與理論家哈維爾·坎塔布裏亞大學的Junquera在西班牙,和Jorge Iniguez盧森堡研究所的科學和技術,他們發現這些紋理特性稱為“布洛赫組件”確定的方向旋轉,拉梅什的比較的緊固帶,如果你是左撇子,皮帶從左到右。他說:“事實證明，這個布洛赫成分，也就是天衛三的赤道帶，是決定其手性或旋向性的關鍵。”

在使用復雜的桿在伯克利實驗室的分子鑄造和康奈爾大學材料研究中心,在康奈爾大學的大衛·穆勒了原子快照skyrmions的手性實時在室溫下,研究人員發現,部隊放在極地鈦酸鉛生成一層一層的極性的鈦酸鍶極地skyrmion鈦酸鉛的“泡沫”。

“材料就像人一樣，”拉梅什說。“當人們感到壓力時，他們的反應是不可預測的。材料也是這樣做的:在這種情況下，通過鈦酸鍶包圍鈦酸鉛，鈦酸鉛開始變得瘋狂——其中一種瘋狂的方式是創造出像skyrmions那樣的極性結構。”

在晶體手性上發光

確認他們的觀察,高級職員科學家Elke Arenholz和員工科學家預沙佛在伯克利實驗室的先進光源(ALS),連同瑪格麗特·邁克拉梅什的物理學博士生在加州大學伯克利分校的實驗室,探索的手性通過使用光譜技術被稱為RSXD-CD(諧振軟x射線衍射圓二色性),高度優化的工具之一,科學界在肌萎縮性側索硬化症,美國能源部科學用戶設施辦公室，專門研究低能量的“軟”x射線，用於研究材料的特性。

光波可以被“圓偏振”，從而也具有旋向性，因此研究人員從理論上推斷，如果極子具有旋向性，例如，一個左旋的天空粒子應該與左旋的圓偏振光有更強的相互作用——這種效應被稱為圓二色性。

當麥卡特和沙佛測試樣品在肌萎縮性側索硬化症,他們成功地發現了另一塊手性skyrmion難題——他們發現傳入的圓偏振x射線,像一個螺旋的線程順時針或逆時針旋轉,與skyrmions的偶極子旋轉方向相同,甚至在室溫下。換句話說，他們發現了圓二色性的證據——在這種情況下，只有x射線和具有相同旋向性的極子之間有很強的相互作用。

McCarter說:“理論模擬和顯微技術都揭示了Bloch成分的存在，但是為了證實這些skyrmion的手性，最後一塊拼圖實際上是圓形二色性測量。”“在沒有旋向性的材料中觀察到這種效應是令人驚奇的。我們很興奮地探索鐵電體中這種手性的含義，以及如何以一種對存儲數據有用的方式控制它。”

現在，研究人員已經製造了一個單電子skyrmion並證實了它的手性，他們計劃製造幾十個具有相同旋向的電子skyrmion陣列——每個電子skyrmion的直徑只有8納米(相比之下，埃博拉病毒的直徑約為50納米)。拉梅什說:“就應用而言，這是令人興奮的，因為現在我們有了手性——打開或關閉skyrmion，或者在左手和右手之間切換——此外還能利用電荷存儲數據。”

研究人員下一步計劃研究施加電場對天空粒子的影響。“現在我們知道了skyrmion是手性的，我們想看看能否用電操縱它們。如果我施加一個電場，我能把每一個都像旋轉門一樣轉動嗎?我能像棋盤上的跳棋一樣，一個一個地移動嗎?如果我們能以某種方式移動它們，編寫它們，並刪除它們來存儲數據，那將是一項了不起的新技術，”拉梅什說。

賓夕法尼亞州立大學、康奈爾大學和橡樹嶺國家實驗室的研究人員也參與了這項研究。