通常希望将流动(无论是声音、电还是热)限制在一个方向上，但自然发生的系统几乎从不允许这样做。然而，单向流动确实可以在一定条件下进行设计，并且据说所得系统表现出手性行为。

手性的概念传统上仅限于一维中的单向流动。然而，在 2021 年，与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校物理学教授泰勒休斯合作的研究人员引入了一种理论扩展，可以解释二维更复杂的手性流动。

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现在，由休斯和UIUC机械科学与工程教授Gaurav Bahl领导的团队已经通过实验实现了这一扩展。正如研究人员在Nature Communications上报道的那样，他们构建了一个拓扑电路网络，一个模拟量子材料微观行为的电子系统，以探索这种扩展或更高等级手性预测的全新行为。

“实际上，我们已经将单行道的概念概括为二维，”休斯说。“在二维空间中，没有绝对的感觉，但如果你随身携带一个固定的箭头，那么你仍然可以描述相对于该箭头的手性运动。

事实上，更高阶的手性表现为锁定在粒子的流动方向和它随之而来的箭头或向量的方向之间。在这项研究中，该团队专注于秩2手性，其中流动被锁定为与粒子携带的动量矢量横向。

该研究的主要作者、UIUC物理学研究生Penghao Zhu解释说：“在标准的手性中，流动只能向右走。然而，一个等级2系统的设计使得如果一个粒子的动量上升，那么它就会向右流动，如果动量指向向下，那么它就会向左流动。

在 2021 年的研究中，Hughes 的小组提出了一个用于秩 2 手性的量子材料系统，但他们的跨学科团队意识到他们可以用拓扑电路网络来探索该系统的行为。在这个平台上，手性是微观耗散或摩擦的结果，称为非隐蔽性，其被设计为仅影响特定方向的流动，使不需要的流动迅速消失，只留下所需方向的流动。

朱和博士后研究员Xiao-Qi Sun设计了一个电路网络，表现出所需的非隐居性，他们与Bahl合作构建了这种“超”材料并进行实验测量。根据朱的说法，该材料显示出手性系统的重要特征：非埃尔米特趋肤效应，其中施加的单向性使流动积聚在系统的边界上。

“此外，我们的实验显示了以前从未探索过的新现象，例如角落定位，其中流动在材料角落积聚，”他说。“这是2级手性非常特别的东西，在以前已经证明的任何皮肤效应中都看不到。

高阶手性提供的概括表明了一类可用于过滤流动和设计光束的新型设备。Sun设想了一种根据光子或光粒子行进方向分离光子或光粒子的装置：如果只需要向右行进的光子，那么秩2手性材料可以通过迫使它们进入不同的方向来去除向左传播的光子被丢弃。

“这个想法的另一个有用的映射可以用于半导体电子设备，其中新的和独特的滤波操作可以用电子完成，”Bahl说。“我们今天使用的几乎所有电子计算和通信设备都依赖于控制电子的流动。如果我们能够在微电子学中复制这种更高等级的手性行为，这是我们以前从未接触过的行为，它可能会导致一些变革性的新应用。

Sun补充说，研究更高等级系统的真正回报是对可能性的更深入理解。

“通过设计和构建扩展我们理解的系统，我们正在朝着一个更加普遍的宇宙迈出第一步，”他说。