2025-02-26
上海期智研究院、复旦大学李晓鹏团队与天津大学的合作者将手征诱导自旋极化现象进一步推广到石墨烯手性卷体系，发现了狄拉克费米子在弯曲空间中运动可以产生高达90%的自旋选择性，其核心仍然是粒子的手性运动轨道与自旋自由度的结合可以放大手征诱导自旋极化效应。该成果论文《Graphene rolls with tunable chirality》于2025年2月21日在Nature Materials 杂志发表。
科研成果概要
理解碳基手性物质中的物理机制是揭示生命手性起源的关键。近二十年来，研究人员在这类手性物质中发现了一种非常普遍存在的现象—手性结构诱导量子自旋选择性。早在1999年该效应首次在赖氨酸分子的实验中被观测到。随后在双螺旋 DNA、钛链等生物大分子中得到了进一步验证。实验表明，电子在通过手性分子时会表现出显著的自旋极化，这一现象极为稳定，即使在室温条件下仍能被清晰探测。该发现建立了结构手性与量子输运特性之间的联系，为理解生命手性起源提供了全新的视角。
从理论上看，最自然的解释是生物大分子中存在显著的自旋轨道耦合。但是室温下的稳定性要求自旋轨道耦合的强度达到数十毫电子伏特。一个矛盾是组成生物大分子的原子都是质量较小的原子，例如碳、氢、氧、氮等，而量子电动力学的计算表明，这些轻元素的自旋轨道耦合强度远不足以解释实验中观察到的强自旋极化效应，因此，手性诱导自旋极化的微观物理机制成为了是一个悬而未解的科学问题。
图1. 手征诱导自旋极化的三轨道模型图解
研究进展与突破
上海期智研究院李晓鹏团队长期从事量子模拟和量子计算研究，并在过去十年间围绕手性诱导自旋极化现象开展了一系列开创性工作，推动了该领域的深入发展。
2014年，受冷原子六角光晶格量子模拟实验的启发，团队提出量子涨落诱导的自发自旋-动量锁定机制【Nature Communications 5:5174】。该机制结合狄拉克点的贝里相位，可进一步导致反常自旋霍尔效应，为理解手性分子中的量子输运提供了新思路。
2018年，研究进一步拓展至自旋角动量耦合系统，证明了双自旋量子系统在与 p 轨道结合时，会自发形成自旋-角动量锁定【PRL 121, 093401】。这一发现揭示了多轨道系统中的新型自旋输运特性。
2020年，团队构建了多轨道电子有效模型，利用群表示理论与量子场论方法，指出库仑相互作用与多轨道结合可大幅增强自旋轨道耦合强度，甚至可达百毫电子伏特级别，从而解释了室温下稳定的手性诱导自旋极化现象【PRL 125, 263002】。
2024年，李晓鹏团队与天津大学合作，进一步将该现象推广至另一类碳基材料——手性卷曲石墨烯，发现狄拉克费米子在弯曲空间中的运动可实现高达90%的自旋选择性。该研究表明，粒子的手性运动轨道与自旋自由度结合能显著增强手性诱导的自旋极化效应【Nature Materials (2025), doi.org/10.1038/s41563-025-02127-8】。
图2. 石墨烯卷的手征诱导自旋选择性
展望与意义
这一系列研究不仅逐步揭示了手性诱导自旋极化的微观物理机制，对探索生命手性起源具有重要的基础科学价值，还为寻找新型强自旋轨道耦合材料提供了理论指导。此外，这些研究成果有望推动室温自旋电子学器件的发展，为未来自旋量子技术和信息处理提供全新的材料平台。
更多详情请见论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-025-02127-8
