近日，国际物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）正式发表华北电力大学数理学院陈亮教授、丁迅雷教授与浙江大学常凯院士合作的最新研究成果《Chiral Casimir-Polder Force from Chiral Anomaly in Weyl Semimetals》。这是数理学院本年度在该期刊发表的第二篇研究成果。该研究提出一种由外尔半金属“手征反常”驱动、纯电偶极响应的手性甄别卡西米尔—波尔德力（CDCP）新机制，为在真空中非接触地分离手性分子提供了可行方案。本研究受国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费资助。华北电力大学为论文第一单位，陈亮教授为第一作者，研究生赵旭锋为第二作者，丁迅雷教授为第三作者，浙江大学常凯院士为通讯作者。

手性分子的两种对映体互为镜像、无法重合，化学性质几乎相同，药效和毒性却可能截然不同，其高效分离长期是制药与化学领域的重要难题。真空中电磁场的量子涨落会在微观粒子与宏观物体之间产生卡西米尔—波尔德力，借此可在不接触分子的前提下对其施加作用。2012年，Butcher等人首次把这一设想落实为具体计算：将分子的手性极化率（光学旋转强度）引入卡西米尔—波尔德力，使真空力具备了分辨左右手的能力。但手性贡献比电偶极贡献弱约两个数量级，且对分子内电偶极和磁偶极的取向、手性分子与手性超材料板之间的距离要求苛刻，实验探测极为困难。

外尔半金属是一类拓扑量子材料，其低能激发是无质量的外尔费米子。当一对手性相反的外尔点在布里渊区中分离时，材料表现出源于轴子电动力学的“手征反常”，并由此产生手性磁效应、负纵向磁阻、非局域输运等一系列反常输运现象。

研究团队首次提出，利用外尔半金属中的手征反常诱导手性甄别卡西米尔—波尔德相互作用。手性分子被激发时，虚激发态具有确定的螺旋性，其手性源于分子内部的自旋—轨道耦合；外尔半金属表面的真空涨落，同样由具有确定螺旋性的虚光子构成。两者的螺旋性一致时相互作用增强，不一致时减弱，处于同一表面上方的两种对映体所受力的大小因而不同。该机制依赖的是自旋—轨道耦合而非磁偶极矩，因此即使传统CDCP机制完全失效（光学旋转强度为零），手性甄别效应依然存在。

图1 手性甄别卡西米尔—波尔德力的两种机制示意。(a)-(b)为传统机制。(c)-(f)为团队提出的新机制。

理论上，团队首先将分子与平板之间的卡西米尔—波尔德势，写成分子偶极张量与表面菲涅尔散射矩阵的求迹形式，使电偶极、磁偶极与手性三条通道统一于同一表达式。分子一侧选用三维螺旋构型、自旋—轨道耦合显著的手性分子C20H16ClNOS，用含时密度泛函方法（显式计入自旋—轨道耦合）计算其跃迁偶极矩；材料一侧则以低能有效模型描述外尔半金属的光学响应。由此得到两种典型构型下手性力的定量估计。

两种构型的计算结果差异显著。外尔点沿面内分离时（图2中的Case 3），手性力与电偶极力的比值约为千分之一，与传统手性超材料方案的量级相当，仍不足以支撑实验观测。为此，团队把外尔点的分离方向转为垂直于表面，并相应调整分子取向（图2中的Case 4）。此时非互易反射通道的作用显著增强，这一比值在20纳米处达到10%，100纳米以内仍保持在1%量级，比传统机制高出一个数量级以上。

图2 手性甄别卡西米尔—波尔德力与手性无关卡西米尔—波尔德力之比随分子与平板间距的变化

实验上，团队设计了斯特恩—格拉赫型的分子偏转方案：两块外尔半金属平板平行放置，间距100纳米，外尔点的分离方向垂直于板面，这可通过选取EuCd2As2、KCrTe、RbCrTe等材料的（001）晶面实现。两块板对同一对映体的手性力并不相互抵消，对非手性作用的贡献却大小相等、方向相反；当手性分子从侧面注入、恰好位于两板正中央时，非手性力完全抵消，仅余手性力将两种对映体推向相反的方向。按上述参数估算，该手性力约为2×10-21牛顿，分子获得的加速度约103米/秒2。为满足方案对分子取向的要求，团队提出采用相位锁定的正交双色飞秒激光脉冲，将分子取向精确固定于垂直于板面的方向。

图3 斯特恩—格拉赫型分子偏转实验方案与飞秒激光场中的分子取向势能

近年来，团队围绕宏观量子电动力学与拓扑量子材料中的真空效应持续开展工作，此前已揭示外尔半金属手征反常诱导的卡西米尔—栗弗席兹力显著区别于常规双折射材料。此次研究将拓扑材料的量子反常响应与分子手性相结合，把手性甄别真空力由“依赖磁偶极矩”推进到“纯电偶极响应”。

这一成果的取得，是华北电力大学近年深耕基础学科建设、推动物理学科内涵式发展的生动写照。学校始终把基础学科作为事业发展的重要战略支撑，不断加大资源投入，持续完善学科布局与科研环境，依托学科交叉融合推动前沿突破，物理学科整体实力与国际学术影响力由此实现显著跃升。

初审：陈亮

复审：刘纪彩

审核：田永辉

责任编辑：陈昀睿