摘要：物理学中，自旋和动量是描述电子基本属性的两个核心量。在许多材料中，这两个量在一定条件下会发生耦合，产生所谓的自旋-动量锁定。这种现象意味着电子的自旋方向与其运动方向之间存在着确定的关联，为自旋电子学等新兴领域提供了重要的物理基础。传统上，强大的自旋-动量锁定常

物理学中，自旋和动量是描述电子基本属性的两个核心量。在许多材料中，这两个量在一定条件下会发生耦合，产生所谓的自旋-动量锁定。这种现象意味着电子的自旋方向与其运动方向之间存在着确定的关联，为自旋电子学等新兴领域提供了重要的物理基础。传统上，强大的自旋-动量锁定常与缺乏空间反演对称性以及较强的自旋-轨道耦合(SOC)的材料联系在一起，尤其是在含有重元素的无机体系中。

然而，近期发表在《Physical Review Research》上的一篇题为“Sturdy spin-momentum locking in a chiral organic superconductor”（手性有机超导体中的稳固自旋-动量锁定）的论文，以前所未有的清晰度揭示了在一种手性有机超导体中存在着异常稳固的自旋-动量锁定，这一发现不仅挑战了我们对自旋-动量锁定机制的传统认知，也为探索基于有机材料的新型自旋电子学器件开辟了广阔前景。

手性是自然界中普遍存在的属性，指一个物体与其镜像不对称的特性，就像我们的左手和右手一样。在分子和材料层面，手性结构可以导致独特的电子输运性质，其中最引人注目的现象之一便是手性诱导自旋选择性（CISS）效应。CISS效应表明，当电子通过手性分子或材料时，其自旋会优先选择与手性结构螺旋方向相关的特定方向。尽管CISS效应已被实验广泛证实，但其微观机制，特别是在凝聚态物质中的体现，仍是当前研究的热点和难点。

自旋-动量锁定与CISS效应密切相关，它描述了动量空间中电子自旋极化的分布。在非中心对称材料中，由于体系结构的固有不对称性，电子在不同动量下的能级会发生劈裂，并且劈裂的能级伴随着相反的自旋极化。这种劈裂正是自旋-轨道耦合的一种体现，它将电子的轨道运动与其内禀自旋关联起来。在超导体中，这种自旋-动量锁定可以深刻影响库珀对的性质。传统的超导体通常由自旋反平行（总自旋为零）的电子组成的自旋单重态库珀对形成。然而，在非中心对称超导体中，自旋-轨道耦合可以诱导自旋单重态和自旋三重态（总自旋为一）库珀对的混合，形成具有动量依赖性自旋结构的库珀对。这种混合三重态成分的超导态可以展现出许多新奇的物理现象，例如不平庸的拓扑性质和非互易的超导输运。

这篇论文的研究对象是一种二维有机超导体：κ-(BEDT-TTF)₂Cu(NCS)₂（简称κ-NCS）。BEDT-TTF是一种常用的有机供体分子，而Cu(NCS)₂则构成了阴离子层。关键在于，这种材料的晶体结构本身是手性的，存在左手和右手两种对映异构体。有机材料通常由轻元素组成，其原子自旋-轨道耦合相对较弱。因此，在该材料中观察到强大的自旋-动量锁定并非理所当然。

研究人员通过精密的电学输运实验，在κ-NCS超导体中发现了两个引人注目的现象：巨大的电磁手性各向异性（EMChA）和显著的超导二极管效应。EMChA是指在同时施加电场和磁场时，材料电阻表现出依赖于磁场方向的非互易性，这种效应在手性材料中尤为明显，并且其幅度与自旋-动量锁定强度紧密相关。超导二极管效应则是在超导态下，材料对正反方向电流表现出不同的临界电流，即超导零电阻状态能承受的最大电流在两个方向上是不同的。这种非互易的超导输运是超导态中自旋-动量锁定或动量极化库珀对的直接体现。

实验结果显示，在κ-NCS超导体中观测到的EMChA效应幅度巨大，远超基于材料原子结构和弱SOC的理论预测。同时，其超导二极管效应也非常显著。更重要的是，研究还观察到了“双临界电流”的特征以及增强的临界磁场，这些都提供了强有力的证据，表明在该手性超导体中，超导态是自旋单重态和自旋三重态库珀对的混合态。三重态库珀对具有非零的总自旋，它们的存在是实现稳固自旋-动量锁定的关键。

这些实验发现的核心意义在于，它以前所未有的方式揭示了手性结构在有机材料中能够诱导出异常强大的自旋-动量锁定。这挑战了传统观念中将强大自旋-动量锁定主要归因于强原子SOC的认识。研究结果强烈暗示，手性本身可能作为一种独立的驱动力，有效地增强了超导态中的自旋-轨道耦合效应，或者直接通过某种尚未完全理解的机制促成了自旋极化。这种由手性结构直接导致的自旋-动量锁定，其“稳固性”体现在即使在原子SOC较弱的情况下，这种关联依然强烈存在。

这项研究不仅在基础物理层面深化了我们对手性、自旋和超导电性之间相互作用的理解，也为应用研究开辟了新的可能性。手性有机超导体由于其固有的手性和超导性，提供了一个理想的平台来研究CISS效应和相关的自旋输运现象。更重要的是，在有机材料中实现稳固的自旋-动量锁定，意味着未来有可能利用有机半导体或超导体的柔性、可加工性以及与生物分子的兼容性，开发出全新的自旋电子学器件。例如，可以设想构建基于手性有机超导体的无耗散自旋输运通道，或者利用手性结构实现对自旋的有效控制和操纵。

未来的研究需要进一步深入探讨手性结构如何具体地诱导和增强超导态中的自旋-动量锁定，这可能需要更精细的理论模型和先进的实验手段，例如角分辨光电子能谱（ARPES）来直接探测动量空间中的自旋结构。此外，探索其他类型的手性有机超导体，研究不同手性结构和化学组分对自旋-动量锁定的影响，也将有助于建立更普适的物理图像。

来源：阿之科技最前线