网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

电场一键翻转“微观陀螺”!Nature子刊揭示铁电-手性声子耦合新机制

0
分享至

在凝聚态物理与量子材料科学的前沿探索中,声子手性铁电性的交叉融合正引发一场关于微观角动量调控的范式革命。

传统固态物理学通常将晶格振动(声子)视为格点在平衡位置附近的简谐微振,电荷与自旋属性在长程有序相变中扮演主导角色。然而,近年来凝聚态物理学界发现,当晶格基元绕平衡位置做具有非零角动量的圆周或椭圆运动时,所激发的声子模式将携带明确的手性(左手性或右手性)及本征角动量L_{ph}。这种手性声子不仅构成了晶格动力学与非平衡态热力学的新维度,更为非磁性系统中的自旋流产生、手性声子驱动的自旋塞贝克效应以及声子介导的量子相变提供了全新物理载体。

然而,手性声子研究领域长期面临一个关键的工程与物理瓶颈:可控性不足。在以往研究中(如石英α-SiO₂或二硫化钨WS₂等单层过渡金属硫族化合物中),手性声子的存在完全依赖于晶体空间群的本征空间互易对称性破缺或特定点群的刚性结构特征。这意味着声子的手性方向(旋转方向)由材料结晶时的三维原子构型固定,无法在外部场(尤其是局域电场)的作用下实现主动、可逆且高响应度的动态开关与翻转。

为了打破这种“静态手性”的限制,发表于《Nature Communications》的研究论文《Coupled ferroelectricity and phonon chirality》,通过引入铁电极化作为主导序参量,成功构建了铁电极化与声子手性之间的内禀强耦合机制。该研究不仅在理论上确立了铁电相变约束下手性声子的对称性演化规律,更在实验上利用低电场实现了手性声子角动量及其诱导的电子自旋流的可逆翻转,为开发新型固态自旋电子学与手性声子器件奠定了理论与实验基础。



铁电性与声子手性的微观耦合机制

1. 对称性破缺与点群约束

声子手性的产生要求系统打破空间互易对称性及特定镜像对称性。在晶体结构中,点群的对称性直接决定了晶格模式的本征矢量形态。

论文的核心物理思想在于选择一种同时允许铁电性与结构手性共存的极性点群材料。在传统对称性分类中,只有手性点群才能孕育结构手性;而铁电体则要求点群具备极性。当晶体点群同时满足“极性”与“手性”的双重约束时,材料的自发极化矢量P与晶体结构的手性特征(如螺旋方向)将发生强烈的物理绑定。

论文选取的示范材料为经典的分子铁电晶体——硫酸甘氨酸(Triglycine Sulfate,(NHCHCOOH)₃·HSO₄,简称TGS)。TGS 在居里温度T_c ≈322K以下发生从顺电相到铁电相的相变:

  • 顺电相(高温相):对应空间群为P2₁/m(具有互易中心,无手性,无自发极化);
  • 铁电相(低温相):空间群降低为P2₁(极性手性空间群)。

在P2₁空间群中,镜面对称性m被打破,甘氨酸分子(Glycine)在晶格中的构型发生非对称畸变,形成左手(L-type)或右手(D-type)构型。更重要的是,铁电极化方向(+P与-P)与甘氨酸分子的分子手型具有一一对应关系。当施加外电场翻转铁电极化方向时,晶格内部的氢键网络与甘氨酸分子基团被迫发生整体协同再取向,从而强制晶体的结构手性发生整体反转(L-手性与 D-手性互换)。

2. 微观模型与级联控制通路

基于上述对称性演化,论文建立了“外加电场E→铁电极化P→结构手性C→声子手性L_{ph}→电子自旋S”的级联物理调控通路:

在微观晶格动力学图像中,当格点i在m模声子作用下发生位移 u_i(m, t)时,其诱导的局域声子角动量可表述为:



在顺电相(P2₁/m)中,由于镜像对称性的存在,相反旋转方向的声子模式能量简并且完全对称,全局声子角动量为零;而在铁电相(P2₁)中,对称性的降低使得特定的高频分子振动模与低频晶格软模发生混合,导致本征位移矢量u_i产生非零的相位相位差,进而激发显著的圆偏振晶格振动(即手性声子)。当铁电极化被电场翻转时,u_i的旋转矢位相发生π相位移动,导致L_{ph}的矢量方向发生180°的精确反转。

实验验证与物理分析

为验证上述理论框架,研究团队设计了一系列高精度的原位光谱学与非平衡态超快光学实验。

1. 原位圆偏振拉曼光谱

研究团队利用圆偏振拉曼光谱,在不同电场极化状态及不同温度下对 TGS 单晶及薄膜样品进行了原位测量:

  • 偏振选择性:实验重点关注了与甘氨酸分子基团变形模相关的拉曼峰。在给定的铁电极化状态(如+P)下,用左旋圆偏振光(LCP)与右旋圆偏振光(RCP)激发时,特定拉曼峰的散射强度表现出极大的不对称性。
  • 电场调控特性:当施加高于 TGS 矫顽电场的反向脉冲电场后,材料进入-P状态。此时,先前在 LCP 下强度占优的拉曼峰切换为在 RCP 下占优,证明声子模式的偏振特征(即圆振动手性)随着铁电极化的翻转而发生了反转。
  • 温度演化特性:当样品被加热至居里点(T>322K)以上进入顺电相时,拉曼光谱中的圆二色性完全消失,两个偏振通道的响应恢复一致,证实了声子手性对铁电相变及对称性破缺的绝对依赖性。

第一性原理密度泛函理论(DFT)及晶格动力学计算精确再现了拉曼光谱的偏振选择性,计算得出的声子本征矢模态图谱直观地展示了甘氨酸分子在+P和-P状态下原子轨迹的逆时针与顺时针轨迹演变。

2. 磁光克尔效应与手性声子驱动的自旋塞贝克效应

为了进一步证明这种电场调控的手性声子能否作为有效的角动量载体并作用于电子自旋,研究团队构建了TGS / 金属重导体(如 Pt 或 Ag)异质结器件,并利用时间分辨磁光克尔效应(Time-Resolved Magneto-Optical Kerr Effect, TR-MOKE)进行了非平衡态自旋动力学探测。

实验逻辑如下:

  1. 热脉冲激发:使用超短飞秒激光脉冲照射异质结,在 TGS 内部沿厚度方向建立极高的温度梯度∇T。
  2. 声子角动量定向流动:温度梯度打破了热平衡,驱动携带手性角动量L_{ph}的手性声子从高温区向低温区定向扩散,产生手性声子流。
  3. 自旋-声子角动量转移:在异质结界面处,手性声子通过强自旋-声子耦合将其角动量传递给重金属中的传导电子,从而激发非平衡态的电子自旋流J_s(即手性声子介导的自旋塞贝克效应)。
  4. 克尔角探测:注入重金属层的自旋积聚引起了反射光的克尔旋转角θ_K。

实验结果表明,在没有外加磁场的情况下,系统的 TR-MOKE 信号仅取决于 TGS 的铁电极化方向。当通过外加电场将 TGS 的铁电极化从+P切换至-P时,测量到的克尔旋转角θ_K发生了严格的正负符号翻转。这一实验现象无可辩驳地证明:电场不仅翻转了铁电极化,更通过翻转声子手性,最终实现了对非磁性系统中热激发自旋流方向的电学可逆调控

总结

论文《Coupled ferroelectricity and phonon chirality》通过巧妙的材料设计与严谨的微观物理分析,成功在分子铁电晶体 TGS 中证实了铁电极化与声子手性的内禀强耦合。研究团队利用电场实现了对手性声子旋转方向及其诱导自旋电流的可逆、非易失性控制,完成了从“静态观察声子手性”到“主动电学操纵声子手性”的重大跨越。该成果是凝聚态物理与自旋电子学交叉领域的里程碑式进展,对推动手性声子学与下一代低功耗电子器件的发展具有深远意义。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
敢不敢再和中国打一仗?高市早苗不敢回答,有人替她讲了出来

敢不敢再和中国打一仗?高市早苗不敢回答,有人替她讲了出来

热点大放送
2026-09-13 23:11:21
大一女生穿“洛丽塔”报到,本以为能惊艳全场,没想到连行李都没人愿意帮忙搬

大一女生穿“洛丽塔”报到,本以为能惊艳全场,没想到连行李都没人愿意帮忙搬

妍妍教育日记
2026-08-23 10:10:12
菲政坛大变天?中方出手,莎拉拿到王牌,马科斯表弟成"替罪羊"

菲政坛大变天?中方出手,莎拉拿到王牌,马科斯表弟成"替罪羊"

呼呼历史论
2026-09-13 08:54:40
烂尾楼与6215.75万租金,如何击穿徐州中央百大的现金流?

烂尾楼与6215.75万租金,如何击穿徐州中央百大的现金流?

靓仔情感
2026-09-14 14:28:12
医生呼吁:马上停用3种调味酱,它是肠癌催化剂!再下饭也别沾

医生呼吁:马上停用3种调味酱,它是肠癌催化剂!再下饭也别沾

任医生聊健康
2026-09-08 08:10:34
台湾九合一选举结果最新预测:国民党将夺回3县市,4县市选情告急

台湾九合一选举结果最新预测:国民党将夺回3县市,4县市选情告急

近史博览
2026-09-14 11:44:28
住院悄悄带这7样东西!医护从不主动说,带齐少遭大半罪

住院悄悄带这7样东西!医护从不主动说,带齐少遭大半罪

华庭讲美食
2026-09-09 07:04:51
原价9999元,到手2326元!iPhone 18 Pro预购开启,以旧换新补贴政策出炉

原价9999元,到手2326元!iPhone 18 Pro预购开启,以旧换新补贴政策出炉

极目新闻
2026-09-12 21:37:16
采暖费天津最新公示

采暖费天津最新公示

天津生活通
2026-09-14 21:07:09
乒坛要变天?张本美和夺冠不到1天,状态直逼孙颖莎,也让全日心寒

乒坛要变天?张本美和夺冠不到1天,状态直逼孙颖莎,也让全日心寒

秋月寒江
2026-09-14 13:22:02
未来五年,最危险的不是你没钱,而是你还在用十年前的方式花钱

未来五年,最危险的不是你没钱,而是你还在用十年前的方式花钱

流苏晚晴
2026-09-04 18:44:02
家庭存款高于这个数,你就是富裕家庭,赶紧看看你家达标了吗?

家庭存款高于这个数,你就是富裕家庭,赶紧看看你家达标了吗?

平说财经
2026-07-23 23:07:33
俄共主席久加诺夫认为,赫鲁晓夫否定斯大林、又同中国交恶,致使苏联多耗费3000亿卢布,这才是苏联解体的真正病根

俄共主席久加诺夫认为,赫鲁晓夫否定斯大林、又同中国交恶,致使苏联多耗费3000亿卢布,这才是苏联解体的真正病根

人生录
2026-09-15 00:05:14
波士顿动力IPO计划遇阻:Atlas人形机器人尚未大规模部署

波士顿动力IPO计划遇阻:Atlas人形机器人尚未大规模部署

IT之家
2026-09-14 17:35:06
中国男篮vs沙特时间已定!CCTV5直播,别轻敌 三个位置决定胜负

中国男篮vs沙特时间已定!CCTV5直播,别轻敌 三个位置决定胜负

江启
2026-09-15 03:40:04
“碳水脸”引争议,网友:令人不适的网络词!

“碳水脸”引争议,网友:令人不适的网络词!

中国日报
2026-05-21 15:28:00
微信上基本不发朋友圈的人,未必低调,十有八九是这三种人:1、生活过于丰富,不便展示;2、看透人性,藏锋守拙;3、自给自足,太充实

微信上基本不发朋友圈的人,未必低调,十有八九是这三种人:1、生活过于丰富,不便展示;2、看透人性,藏锋守拙;3、自给自足,太充实

品读时刻
2026-09-12 09:06:58
坦然认怂!兹维列夫自评并非当世最强:全员健康,我仍不如辛纳

坦然认怂!兹维列夫自评并非当世最强:全员健康,我仍不如辛纳

网球之家
2026-09-14 23:49:01
“去的第一天就后悔了!”湖南女孩去晒211院校宿舍:心里落差太大了!

“去的第一天就后悔了!”湖南女孩去晒211院校宿舍:心里落差太大了!

林林先生
2026-09-13 07:05:06
东南亚的骗子都已经说了:普通人一辈子存款天花板是30万,电诈人员经过数据分析出来的。日本旅游签门槛是存款10万,招行金葵花门槛是50万

东南亚的骗子都已经说了:普通人一辈子存款天花板是30万,电诈人员经过数据分析出来的。日本旅游签门槛是存款10万,招行金葵花门槛是50万

纯洁的微笑
2026-09-02 12:19:46
2026-09-15 04:00:49
万象经验 incentive-icons
万象经验
专注科普
1506文章数 804关注度
往期回顾 全部

科技要闻

时隔近9年,特斯拉新款Roadster拟十一发布

头条要闻

17岁女孩成"挂壁青年":初中毕业放弃升学 父母已断供

头条要闻

17岁女孩成"挂壁青年":初中毕业放弃升学 父母已断供

体育要闻

兹维列夫,从三十年0冠到一百天2冠

娱乐要闻

敬一丹采访视频曝光,原来早有预兆

财经要闻

东莞证券原副总裁主动投案

汽车要闻

纯电续航960km/迪迪虾上车 腾势N8L纯电售29.98万元起

态度原创

房产
健康
游戏
手机
军事航空

房产要闻

网易房产|《让爱驻下》云首发!以一首歌,致敬广州赶路人

耳石症vs颈椎病,头晕的原因差太多

FS社新游上手试玩 西部版《黑暗之魂》硬核来袭!

手机要闻

一文看懂苹果秋季发布会:1.6万元起售的iPhone折叠屏来了

军事要闻

24小时内58次空袭 也门冲突快速升级

无障碍浏览 进入关怀版