孙庆丰课题组提出逆手性诱导自旋选择效应的微观理论

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心孙庆丰课题组在手性分子自旋选择输运领域取得重要理论突破。研究团队针对最近在手性有机聚合物体系中发现的逆手性诱导自旋选择效应，建立了微观理论模型，揭示了其物理本质。相关研究成果以“由逆手性诱导自旋选择性驱动的自旋-电荷转换” (Spin-to-Charge Conversion Driven by Inverse Chiral-Induced Spin Selectivity) 为题，于2026年9月11日发表在《物理评论快报》 (Physical Review Letters) 上。

手性诱导自旋选择 (chiral induced spin selectivity, CISS) 效应是近二十年来自旋电子学领域的研究热点。它揭示了自然界中普遍存在的手性结构与电子自旋之间的内在联系：当非自旋极化电流通过手性分子后，会产生强自旋极化。其逆过程，即逆CISS效应，则相反地实现自旋流到电荷流的转换。这些效应在低功耗、可调控的电荷-自旋转换方面应用前景广阔，受到物理、化学和生物领域的广泛关注。CISS效应已被广泛研究，但逆CISS效应直到2024年才在有机聚合物薄膜中被实验观测到，且其微观机制此前尚不清楚。

孙庆丰课题组长期在CISS领域开展研究，取得了系统性、系列化的研究成果。早期工作发现，在自旋轨道耦合与手性结构和退相干协同作用，并当体系存在多条传输途径时，可产生CISS效应[Phys. Rev. Lett. 108, 218102 (2012)；PNAS 111, 11658 (2014)；等]。近两年工作阐明了CISS效应形成的动力学过程[Phys. Rev. B 111, 205417 (2025)]，澄清了铁磁电极探测CISS效应时打破Julliere模型的问题[J. Phys. Chem. Lett. 16, 12596 (2025)]，等。

最近，孙庆丰课题组针对逆CISS效应的实验体系建立了与其相对应的理论模型。研究表明，在手性分子螺旋结构与自旋轨道耦合相结合并在存在多条传输途径时，侧向注入的自旋流会转换为沿分子手性轴的电荷流，即出现逆CISS效应。基于该理论模型通过数值计算，不仅重现了实验中观测到的逆CISS效应，也同时解释了实验中观测到的逆自旋霍尔效应。更重要的是，理论揭示了两者的本质区别：逆CISS效应与分子手性密切相关，其电压信号随分子手性反转而改变符号；而逆自旋霍尔效应则不受分子手性影响。此外，理论计算表明这些效应在较强无序条件下仍然可以保持。该工作为理解手性分子的自旋-电荷转换提供了清晰的微观物理机制，也为基于有机手性材料的自旋转换研究提供了理论参考。

图1：(a) 基于实验装置构建的理论模型示意图。(b) 逆自旋霍尔效应机理示意图。(c) 逆CISS效应机理示意图。(b, c) 中蓝箭头表示自旋，红箭头表示电子偏转方向。 

图2：(a-d) 展示了在各自插图中所示的实验配置下，右手和左手分子体系的逆自旋霍尔电压 (a, b) 和逆CISS电压 (c, d)。逆自旋霍尔电压对分子手性不敏感，而逆CISS电压则随分子手性反转而改变符号。 

该研究成果于2026年9月11日在线发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)。北京大学物理学院量子材料科学中心博士生张天一是该论文第一作者，孙庆丰教授是通讯作者。该工作的参与者还有中南大学物理学院郭爱敏教授和量子材料科学中心博士生刘芃仪。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、量子通信与量子计算机国家科技重大专项、湖南省自然科学基金以及北京大学高性能计算平台的支持。

原文链接：https://www.prl.137.118001