量子新轉機：科學家找到操控電子的嶄新途徑

電子有個隱藏特性——自旋，此特性有望為科技帶來革命性的變化。磁鐵能控制它，但研究人員如今正探索以掌性分子作為替代方案。這些形狀獨特的分子，或許也能有效引導電子自旋，為未來的電子學開啟新的可能性。

眾所周知，電子帶負電，在電流中扮演著關鍵角色。然而，它們還擁有另一項重要特性：自旋，也就是磁矩。這一特性在改善資料儲存技術方面具有巨大潛力，但事實證明，控制電子自旋頗具挑戰性。

具體而言，要分離出具有特定自旋方向（例如自旋向上）的電子十分困難。一種公認的方法是讓電流透過像鐵這樣的鐵磁性材料。這個過程能使電子的自旋極化方向與材料的磁場方向一致。

近年來，研究人員探索了另一種替代方法，即使用掌性分子——也就是那些不存在可疊合映象的結構，例如螺旋結構。研究顯示，這些分子能誘發自旋極化，其程度可與鐵磁性材料相媲美，達到60%至70%左右。然而，此方法仍在研究中，在科學界也仍是一個備受爭議的話題。

美因茨約翰內斯·古騰堡大學（JGU）的研究人員最近成功證實了所謂的掌性誘導自旋選擇性（CISS）效應的存在。

「我們團隊運用自旋電子學方法研究了掌性分子的影響，」JGU物理研究所的安吉拉·維特曼教授強調，「我們並未直接讓電流透過掌性分子本身。相反，我們建立了一個混合系統，由一層附有掌性分子的金薄膜組成。儘管大部分電流會穿過金薄膜，但掌性分子的存在改變了金的狀態。」

研究人員感興趣的是自旋電流如何轉化為電荷電流。在由純金構成的薄膜中，不論電子自旋方向是向上還是向下，大約3%的自旋電流會轉化為電荷。

然而，在附有掌性分子的金層混合系統中，結果卻大不相同。如果金表面的分子是右手性的，自旋向上的電子電流轉化為電荷的效率要比自旋向下的高得多。如果金表面的分子是左手性的，結果則恰恰相反。因此，自旋電流轉化為電荷電流的程度，取決於金表面分子的掌性。

「此外，這種效應是向量性的，」維特曼解釋道，「如果掌性分子的螺旋結構向上，只有當自旋方向與之大致相同或完全相反時，才會出現這種效應。」

「另一方面，如果自旋方向與螺旋結構的排列方向不一致，就不會出現這種效應。因此，自旋方向和螺旋軸必須相互對應或完全相反。」

維特曼總結道：「我們的研究成果，對自旋選擇性效應的認可，以及掌性分子對自旋的影響，做出了重要貢獻。」

參考文獻：《掌性誘導的單向自旋到電荷轉換》，作者阿希什·莫哈拉納、亞埃爾·卡蓬、法比安·卡默鮑爾、大衛·安託費爾、希拉·約切利斯、哈達爾·舍馬、埃拉德·格羅斯、馬蒂亞斯·克洛伊、約西·帕爾蒂爾和安吉拉·維特曼，發表於2025年1月1日，《科學進展》。《科學進展》是美國科學促進會（AAAS）創辦的同行評審科學期刊。它是一個開放存取平臺，發表涵蓋整個科學及科學相關學科領域的高質量研究成果。該期刊於2015年創刊，旨在發表具有重大意義、創新性的研究，推動科學前沿的發展，並將高影響力的科學研究成果傳播至全球讀者。《科學進展》涵蓋廣泛的主題，包括但不限於生物學、物理學、化學、環境科學和社會科學，是一份多學科出版物。DOI：10.1126/sciadv.ado4285