新闻网讯 1月27日, 物理学综述期刊《Physics Reports》在线刊发了物理学院于涛教授“量子磁性与自旋物理”课题组受邀撰写的题为“Chirality as generalized spin-orbit interaction in spintronics”的115页长篇综述论文。物理学院于涛教授为论文的第一及通讯作者；18luck新利电竞 物理学院为论文的第一单位。北京大学罗昭初研究员和日本东北大学Gerrit Bauer教授参与了论文的讨论与撰写，为论文的共同作者。

手性通常指的是在只经过平移或旋转操作的情况下，一个物体或对象不能和它的镜像相重合。一个具体的例子是分别用左、右手张开拇指、食指和中指所构成的对象互为镜像，从而代表了不同的手性，如图1所绘出的左手和右手。在数学上，不同手性可通过满足左手定则或右手定则的三个矢量的外积来描述。比如，基态磁结构的手性可通过磁矩方向、磁矩梯度方向以及由空间反演破缺所导致的自旋轨道场方向这三个向量来确定。

图1. 手性及手性平面波的定义。(a)和(b)分别定义了右手手性波和左手手性波，其中左右手张开拇指、食指和中指构成的对象互为镜像。其中， 为准粒子赝自旋， 为准粒子波矢或动量， 为准粒子传播平面的法线方向。

近年来，自旋物理学涌现出不同于手性磁结构的新的手性现象，即准粒子或者经典波传播过程中所表现出的手性，或者非互易性，或者单方向性。在过去6年，于涛教授与合作者一直专注于研究自旋物理学中众多准粒子所涌现的手性新现象，包括提出一系列理论新原理、参与实验验证或发现、预言众多自旋器件新功能、以及推动准粒子手性在信息技术、人工智能等领域潜在的应用。于涛教授课题组在该研究方向取得了一系列研究成果，其中以第一及/或通讯作者在Physical Review Letters发表8篇论文，在Physical Review B/Research及Science Advances上发表20余篇论文；理论结果解释了众多实验或获得一系列实验的后续验证。

自旋电子学、 磁性物理以及磁子学等在过去近 20 年对手性的研究侧重于静态磁结构及其与电子、 磁子等的相互作用。然而，近些年来众多准粒子所涌现的手性新现象、其统一的物理起源尚缺乏统一、清晰的认知，比如它和静态磁结构的联系和区别。同时，手性如何统一定义和定义的试用范围在众多文献中存在众多分歧。对此，作者提出将自旋物理领域所研究的手性分为“静态”的结构手性与“动态”的准粒子手性两大类，如图2所示；进而提出运用几何的方式对这些手性进行统一的定义；定义了“手性指数”这一概念对手性进行了定量描述。

图2. 自旋物理领域的手性分为静态的结构手性与动态的准粒子手性两大类。左边为通常情况下，局域电子由自旋-轨道耦合或偶极相互作用所导致的静态手性磁结构。右边为众多准粒子所涌现的动态手性。

为了熟悉手性和手性指数的概念，论文中作者首先运用手性指数对各种熟知的静态手性磁结构的手性重新进行了梳理和比较；然后简要总结了由偶极相互作用以及相对论效应所导致的纳米磁体中磁矩方向的手性起源；将由此所导致的不同纳米磁体磁矩方向的锁定定义为静态的“手性相互作用”；简要总结了静态手性相互作用所导致的磁逻辑器件、磁记忆等的众多自旋功能。

不同于静态磁结构的手性主要由局域电子的自旋-轨道耦合或者磁矩偶极相互作用所导致，对于涌现出的准粒子的手性，包括磁子、声子、光子电场、光子磁场、等离体子、库伯对、铁电子(ferron)等，自旋物理领域尚未描述它们的共同理论起源，甚至对它们的手性也未进行统一的定义。作者总结自旋物理领域动态手性的共性是准粒子存在类似于电子的“赝自旋”；当该准粒子为倏逝波，即振幅在垂直于波的传播方向上呈指数衰减的一种表面或界面波时，该赝自旋与动量、传播平面互相垂直并且以某一种手性规则锁定起来；该三矢量的外积满足左手定则或右手定则，即它们为手性波，如图1所绘出的具有不同手性的手性平面波。由于此时赝自旋与动量方向垂直，作者称其为“横向自旋”。类比于巡游电子由于相对论效应所导致的自旋-动量锁定，作者将这种普遍存在的准粒子手性现象定义为“广义的自旋-轨道耦合”。

在这一统一概念指导下，作者着重探讨了自旋物理中磁体、介电材料、导体以及超导体中激发态的手性。这些材料中均拥有具有横向自旋的渐逝波，即使在没有相对论效应的情况下，渐逝波的横向自旋与动量以及传播平面的法线方向也可以锁定起来。根据广义的自旋-轨道相互作用图像，作者给出自旋电子学中动态手性的统一电动力学理论描述；给出了广义的自旋-轨道耦合存在的条件；并将其与纳米光学和等离激元中的动态手性进行比较。

到目前为止，准粒子的广义的自旋-轨道耦合导致了两个重要结果。一方面，作者总结了由广义的自旋-轨道耦合所导致的自旋电子学中诸如磁子、声子、光子、库伯对及等离体子等元激发之间的手性相互作用的发现；这种相互作用使得一种准粒子只能和某个方向传播的另一种准粒子相互作用，从而以它为媒介，两个物体之间只有作用力但没有反作用力,如图3(a)所示；作者详细回顾了在GHz时间尺度下磁、光、电、声、纳米结构中各种准粒子之间的手性相互作用以及近场下横向自旋传输的理论进展、实验依据和器件实现。这些手性相互作用激发的准粒子向单一方向传播，从而导致众多新的自旋电子学效应，诸如手性的自旋、光子、声子泵浦、手性自旋塞贝克、自旋趋肤、磁子非厄密拓扑、磁子陷阱、磁子阻塞、磁子多普勒和自旋二极管等，有望在信息技术、人工智能等领域实现突破性应用。

图3. (a) 准粒子手性相互作用。(b) 手性相互作用和近场自旋电子学的众多载体及其相互作用。

另一方面，类比于电子自旋可看成是源于相对论效应的一个内在自由度，其它准粒子的横向自旋则可视为电子相对论自旋的推广。作者系统地总结了理论和实验中所发现的通过非接触自旋泵浦和自旋转移过程，即“近场自旋电子学”。众多准粒子横向自旋的信息可以几乎无损耗的传输给电子自旋，从而准粒子的横向自旋也可作为自旋电子学中“自旋”载流子的一员，且由于其低损耗、激发效率高等优点有望克服常规电子自旋产生、传输和检测过程中的短板。

最后，作者对手性自旋物理学做了总结，如图3(b)所绘出的手性和近场自旋电子学的众多载体及其相互作用；作者对未来研究的众多新方向，包括自旋逻辑器件、自旋新材料、新的手性准粒子、手性准粒子拓扑性质、自旋非线性动力学以及量子信息等进行了一系列展望。

论文链接：https://authors.elsevier.com/a/1gUym1KAVtlvai