摘要：韩国科学家成功开发出能够在室温下精确控制电子自旋的磁性纳米螺旋结构，为自旋电子学技术带来突破性进展。这项由高丽大学和首尔国立大学联合完成的研究，首次实现了通过结构手性和磁性的结合来操控电子自旋，无需复杂的磁电路或低温环境即可达到超过80%的自旋极化效果。

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250913232933.htm

韩国科学家成功开发出能够在室温下精确控制电子自旋的磁性纳米螺旋结构，为自旋电子学技术带来突破性进展。这项由高丽大学和首尔国立大学联合完成的研究，首次实现了通过结构手性和磁性的结合来操控电子自旋，无需复杂的磁电路或低温环境即可达到超过80%的自旋极化效果。

这一成果不仅为下一代计算技术奠定了基础，也为开发更快速、更节能的数据存储和逻辑设备开辟了新路径。研究团队通过电化学方法精确控制金属结晶过程，成功制造出左旋和右旋手性磁性纳米螺旋，实现了对无机纳米材料的"手动编程"。

自旋电子学的技术瓶颈与突破

自旋电子学作为一种革命性的信息处理技术，利用电子的内在角动量（自旋）而非传统的电荷流进行数据处理。这种方法在理论上能够大幅提升计算速度并显著降低能耗，被视为摩尔定律延续的关键技术之一。

然而，自旋电子学的实用化一直面临着核心技术挑战：如何精确控制电子自旋方向。传统方法通常需要复杂的磁电路设计或极低温环境，严重限制了技术的实际应用。现有的自旋电子器件大多依赖于巨磁阻效应或隧道磁阻效应，但这些技术在室温下的性能往往不够理想，且制造成本高昂。

此次韩国研究团队的突破在于，他们成功结合了结构手性与本征铁磁性，创造出能够在室温下高效进行自旋滤波的纳米材料。高丽大学的Young Keun Kim教授强调："这些纳螺旋仅凭它们的几何形状和磁性就实现了超过80%的自旋极化，这是结构手性和本征铁磁性的罕见组合。"

手性工程：从分子到无机材料的跨越

在金属离子的电化学还原过程中，通过添加吸附在颗粒表面的手性分子，将金属纳米颗粒的扭曲方向控制为右旋或左旋。图片来源：高丽大学和首尔国立大学

手性是自然界中普遍存在的几何特征，指物体无法通过旋转与其镜像重合的性质。在生物系统中，手性决定了许多分子的功能特性，比如DNA的双螺旋结构和蛋白质的空间构象。然而，在无机材料特别是金属材料中实现手性控制极为困难。

首尔国立大学的Ki Tae Nam教授指出："手性在有机分子中是众所周知的，其中结构的惯用性通常决定其生物或化学功能。但在金属和无机材料中，在合成过程中控制手性极其困难，尤其是在纳米尺度上。"

研究团队的关键创新在于引入微量的手性有机分子作为模板，如奎宁或奎尼丁等天然手性分子。这些分子在电化学还原过程中吸附在金属颗粒表面，引导螺旋结构的形成并精确定义其手性。这种方法实现了对无机螺旋方向的"编程"控制，标志着材料化学领域的重要突破。

通过这种方法，研究团队不仅能够控制螺旋的旋向（左旋或右旋），还能调控螺旋的股数，从单股发展到双螺旋或多螺旋结构。这种可扩展的电化学方法为制造复杂的三维手性纳米结构提供了新的可能性。

室温自旋传输的物理机制

传统的自旋电子器件通常需要在低温下工作以保持自旋相干性，这大大限制了其实用价值。此次研究最引人注目的发现之一是，这些磁性纳米螺旋能够在室温下实现长距离的自旋传输。

研究发现，磁性材料本身通过其固有的磁化能够在室温下进行长距离自旋传输。更重要的是，这种效应不依赖于手性轴与自旋注入方向之间的角度，表现出很强的稳定性。相比之下，相同尺度的非磁性纳米螺旋并未观察到类似现象，证实了磁性在自旋传输中的关键作用。

为了验证纳米螺旋的手性特征，研究团队开发了一种基于电动势的手性评估方法。他们测量了螺旋在旋转磁场下产生的电动势，发现左旋和右旋螺旋产生相反的电动势信号。这种方法即使在与光不强烈相互作用的材料中也能定量验证手性，为手性材料的表征提供了新的工具。

产业应用前景与技术挑战

这项研究的意义不仅限于基础科学，其产业应用前景同样广阔。自旋电子学技术的成熟将为计算机行业带来革命性变化，特别是在数据存储、逻辑运算和量子计算等领域。

当前全球半导体产业正面临着摩尔定律放缓的挑战，传统硅基技术的性能提升越来越困难。自旋电子学技术提供了一条全新的技术路径，有望实现更低功耗、更高密度的信息存储和处理。磁随机存取存储器（MRAM）已经开始商业化应用，而基于自旋的逻辑器件也正在研发之中。

此次韩国团队的突破特别重要的是，他们展示了一种固态器件，该器件显示与手性相关的传导信号，为实际自旋电子学应用铺平了道路。这种器件的室温工作能力极大降低了实用化的技术门槛。

然而，从实验室成果到产业应用仍面临诸多挑战。首先是规模化制造问题，如何在保持纳米级精度的同时实现大规模生产是关键技术难点。其次是稳定性和可靠性，纳米结构在长期使用中的稳定性需要进一步验证。此外，如何将这些纳米螺旋集成到现有的半导体工艺中也是需要解决的技术问题。

科学意义与未来展望

从科学角度看，这项研究在多个层面都具有重要意义。首先，它实现了无机材料中手性的精确控制，为手性材料学开辟了新的研究方向。其次，它展示了几何结构、磁性和自旋传输之间的强大协同效应，深化了我们对自旋相关物理现象的理解。

Kim教授对此表示："我们相信该系统可以成为手性自旋电子学和手性磁性纳米结构的平台。这项工作代表了几何、磁性和自旋传输的强大融合，由可扩展的无机材料构建。"

这种多功能电化学方法不仅能够控制螺旋的手性，还能调节其复杂程度，为设计更加复杂的功能性纳米结构提供了工具。未来的研究可能会探索更多种类的手性纳米结构，如手性纳米管、手性量子点等，进一步拓展手性材料的应用领域。

从更广阔的视角看，这项研究也为仿生材料设计提供了启示。自然界中的手性结构往往具有独特的功能，如何在人工材料中复制和改进这些功能是材料科学的重要课题。此次研究展示的电化学模板法可能成为制造复杂仿生结构的通用方法。

随着自旋电子学技术的不断发展，我们有理由期待在不久的将来看到更多基于自旋的电子器件问世。这些器件不仅能提供更高的性能，还将为低功耗计算、量子信息处理等前沿技术提供硬件基础。韩国团队的这一突破无疑为这个激动人心的未来又添加了重要的技术基石。

来源：人工智能学家