本文由论文作者团队投稿
导读
在传统电磁学框架中，电磁波在材料中的传播总是伴随着能量耗散：电流响应导致电磁场衰减，因此在没有持续外部能量供给的情况下，电磁波不可能自发增强。然而，理论研究指出，在具有手性结构并被驱动到远离平衡态的体系中，电磁响应的基本形式可能发生改变，甚至允许电磁模式出现动力学不稳定性。这类现象长期以来主要出现在等离子体物理和早期宇宙学研究中，在真实凝聚态材料中的实验实现仍然是一个悬而未决的问题。
手性晶体由于缺乏反演对称性，在对称性上允许磁场与电流之间的异常耦合形式。在平衡态下，这种磁-手性电流（magneto-chiral current）必然为零，但在非平衡载流子分布建立的条件下，该响应有可能变得有限，从而为电磁场提供能量反馈。如果这一机制能够在固体材料中实现，将意味着凝聚态体系中存在一种全新的太赫兹电磁放大与不稳定性产生途径。
近日，伊利诺伊大学研究团队以结构手性的碲（Te）晶体为研究对象，利用超快光激发将体系驱动至非平衡态，并在外加磁场条件下，通过太赫兹时域谱学观测到一组与磁场方向平行的太赫兹辐射模式，其振幅随时间增强而非衰减。这一反常行为无法用已知的瞬态太赫兹辐射或声子放大机制解释，指向非平衡手性体系中内禀的动力学放大过程。
结合最小理论模型分析，研究表明该现象源于非平衡磁-手性电流与低能红外活性振子耦合形成的极化激元不稳定性。该工作首次在凝聚态体系中实验观测到非平衡手性电磁动力学不稳定性，为探索和调控太赫兹波段的新型非平衡光电效应提供了新的物理路径。
该成果以Dynamic magneto-chiral instability in photoexcited tellurium 为题发表在Nature Physics，本文的第一作者是Yijing Huang（黄怡靖）、Nick Abboud，通讯作者是Yijing Huang（黄怡靖）、Fahad Mahmood。
手性可以简单理解为“左右不一样”。如果一个物体和它的镜像无论如何旋转、翻转，都无法完全重合，那么它就是手性的。最直观的例子是人的左右手：外形相似，却无法重合，因此被称为具有手性。
在晶体中，手性描述的是原子排列的空间结构。当原子沿着某个方向呈现出“螺旋式”或“拧转式”的排布时，晶体就天然地区分了“左”和“右”。这种结构差异并不会自动产生磁性或电流，但它会深刻影响外界电场和磁场与材料的相互作用方式。
可以把手性晶体理解为一种对方向具有偏好的材料。在普通晶体中，许多物理过程在正反方向上是完全等价的；而在手性晶体中，材料本身能够区分不同的空间方向，使得某些原本不存在或被严格抑制的电磁响应在特定条件下变得可能。
正是由于这种“左右不对称”的结构特性，手性晶体在非平衡状态或外场驱动下，能够展现出异常的光学和电磁行为，成为研究新型太赫兹响应和非平衡物理的重要平台。
从欧姆定律到一种“反常”的电流
在我们熟悉的电磁学中，欧姆定律几乎是所有直觉的起点：电场产生电流，而电流带来能量耗散。因此，在没有持续外部供能的情况下，电磁波在材料中只能衰减，而不可能自发增强。
然而，手性晶体中，如果体系被强烈驱动、处于远离平衡的状态，对称性允许一种不同寻常的电流形式出现：j=σM B。在手性晶体中，σM是一个标量: 磁场本身可以诱导电流，而且电流方向与磁场方向平行。这种电流可以被称为磁-手性电流（magneto-chiral current）。这种电流在平衡态和静态极限中必然为零，因为它会导致电磁场的放大。如果体系没有额外能量来源，它在热平衡下是不可能存在的。
在等离子体物理和早期宇宙理论中，人们已意识到：如果体系中存在手性不平衡，并且允许磁-手性电流，那么麦克斯韦方程本身就可能支持不稳定解——某些电磁模式会随时间指数增长，而不是衰减。这些研究长期被认为属于高能或天体物理背景下的现象，与固体材料相距甚远。
那么这种机制是否可能在真实的凝聚态体系中实现？要回答这个问题，需要满足三个条件：
1. 材料本身必须是结构手性的；
2. 体系必须被驱动到非平衡态；
3. 电磁场必须能与材料中的低能集体自由度有效耦合。
这正是本工作的出发点。
对称性：为什么这种电流在手性晶体中是允许的
从最一般的对称性角度看，电流是一个极向量，磁场是一个轴向量。要让两者线性耦合，其耦合系数必须是一个赝张量。在具有反演对称性的晶体中，这个耦合系数必然为零；但在手性晶体中，它在对称性上完全允许这个赝张量约化成赝标量。
重要的是：对称性只回答“是否允许”，而不保证“是否存在”。在平衡态下，能带理论表明该响应仍然消失；但一旦非平衡载流子分布在足够长的时间尺度上建立起来，这一项就可能变得有限 。
实验：观察到“随时间变强”的太赫兹辐射
实验上，我们研究的是碲（Te）晶体——一种非磁性的、结构手性晶体；同时是一个具有0.3eV带隙的半导体。
实验概括如下：我们使用超快近红外激光脉冲（能量为1.2eV）对碲晶体样品进行光激发，使体系进入瞬态的非平衡态，被激发的载流子会在30ps内弛豫；在外加磁场和低温下，我们测量样品辐射出的太赫兹电磁波。
最关键的实验发现是：在与磁场方向平行、辐射强度正比于磁场强度的极化分量中，我们观察到一组太赫兹模式的振幅随时间增长，而不是衰减。这种增长行为与已知的瞬态太赫兹辐射机制不相符，它不来自于phonon parametric amplification也不来自于population inversion，它指向一个非平衡态手性体系中内禀的动力学放大过程。
建模：电磁场与低能振子耦合行成的极化激元
为了理解这一现象，我们建立了一个最小模型，其中包含三个要素：非平衡电子流体，允许磁-手性电流；低能红外活性（IR active）振子；电磁场。将这些要素之间的基本响应关系代入麦克斯韦方程后，可以求得体系的本征模。
建模概要如下：
写出满足causality并且对称性允许的最简单的线性响应，包含两项电流。第一项电流对应欧姆定律和存在阻尼的低能红外活性（IR active）振子；对应图中的I，是可耗散的极化激元。第二项电流对应磁-手性电流（magneto-chiral current）；对应图中的II.
结果显示，在合理参数范围内，通过j=σMB项允许极化激元模和电磁场相互作用的系统中，某些极化激元模具有正的增长率（不稳定），即振幅随时间放大。其中，可辐射（可实验观测）的非稳定极化激元由描述非平衡手性不对称的能量参数μAC贡献。
模型进一步揭示，实验中观察到的放大太赫兹模式频率被锁定在红外活性振子的本征频率附近，其放大行为仅在低温和弱耗散条件下存在。当温度升高、耗散增强时，不稳定性自然消失，与实验观测高度一致。这一对应关系表明，所观测的太赫兹增强并非瞬态效应，而是非平衡手性体系中内禀的动力学不稳定区间。
总结：从“响应”到‘’稳定性”的视角转变
该研究首次在真实凝聚态材料中实验观测到非平衡手性体系中的电磁动力学不稳定性，并建立了描述这一现象的理论框架。该工作将凝聚态物理与等离子体物理中长期研究的电磁不稳定性问题联系起来，为探索太赫兹波段的放大、调控和新型非平衡光电效应提供了新的物理视角。
论文信息
Huang, Y., Abboud, N., Lv, Y. et al. Dynamic magneto-chiral instability in photoexcited tellurium. Nat. Phys. (2026).
https://doi.org/10.1038/s41567-025-03145-8
