有機超導體突破物理框架：手性結構引發巨量自旋電流耦合

最新研究發現，具有手性特徵的有機超導體能產生驚人的自旋電流耦合效應，其強度堪比傳統強自旋軌道耦合材料。這項突破為開發先進超導元件開闢全新途徑。

科學界早已觀察到，電子透過手性分子時會出現顯著自旋極化現象，稱為「手性誘導自旋選擇性效應」（CISS）。這種效應源自電子運動與自旋在手性環境中的複雜互動作用。然而，要精確測量與量化此效應，始終是研究人員面臨的重大挑戰。

日本分子科學研究所（IMS）與綜合研究大學院大學（SOKENDAI）的團隊，特別選取具有手性對稱的有機超導體進行研究。他們發現，這類材料在超導態會出現異常強烈的非互易傳輸響應，其強度遠超過現有理論預測值。

最令人驚訝的是，這種顯著的非互易性竟出現在自旋軌道耦合本質上較弱的有機材料中。這暗示分子手性可能透過誘導混合自旋三重態庫柏對，大幅增強電荷電流與自旋間的互動作用。

傳統觀點認為，電子傳導中的自旋極化主要源自自旋軌道耦合，這種相對論效應在含重元素材料中尤為明顯。但CISS效應卻在主要由碳、氫等輕元素組成的有機化合物中被反覆觀測到，徹底顛覆了學界認知。

相較於分子系統，晶體材料在自旋軌道耦合相關特性研究上具有優勢。特別是在缺乏空間反轉對稱的材料中，自旋軌道耦合會導致非互易傳輸現象。過去這類研究多聚焦於極性結構，近期才擴充套件到極性超導體。

研究團隊特別關注具有手性結構的二維有機導體κ-(BEDT-TTF)₂Cu(NCS)₂（簡稱κ-NCS）。他們製備了κ-NCS超導薄膜元件，成功觀測到強度遠超無機極性超導體的非互易訊號。

理論分析更顯示，這種異常強烈的非互易性無法僅用傳統能帶引數解釋，必須引入遠超典型有機材料水平的等效自旋軌道耦合增強，以及庫柏對中的自旋三重態成分。

更驚人的是，團隊在研究超導二極體效應時，發現整流效率竟高達5%，這在有機材料中前所未見，甚至可媲美早期報導的無機極性超導體數值（約6%）。

這些發現證實，手性驅動的自旋與電流間非平庸耦合，在超導態中扮演著等效自旋軌道耦合的角色，不僅導致電阻與臨界電流的巨量非互易性，更可能促成自旋三重態庫柏對的混合。

這項突破不僅為定量評估CISS效應提供關鍵進展，更為長年以重元素、極性對稱為主的超導體整流研究開闢全新視角。隨著這些新見解，手性與固態電子特性的研究將拓展至更多材料體系，為創新超導元件與功能材料開發鋪路。

參考文獻：Sturdy spin-momentum locking in a chiral organic superconductor by Takuro Sato, Hiroshi Goto and Hiroshi M. Yamamoto, 2025年4月15日刊登於《物理評論研究》。DOI: 10.1103/PhysRevResearch.7.023056