本网讯 近日，中南大学物理学院郭爱敏教授与国家纳米科学中心鄢勇研究员、北京大学孙庆丰教授合作，在物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表题为“由非手性分子制备的螺旋纳米纤维的横向自旋选择（Transverse Spin Selectivity in Helical Nanofibers Prepared without any Chiral Molecule）”的研究论文。郭爱敏与鄢勇为论文的共同通讯作者，国家纳米科学中心博士生王晨晨与中南大学物理学院硕士生梁曾任为论文的共同第一作者，北京大学孙庆丰教授为论文的重要合作者，参与该项工作的还有国家纳米科学中心博士生姬广昊、我校物理学院与兰州大学联合培养博士生陈小风。

手性是自然界的基本属性，指物体与其镜像不能重合的特征，比如人的左手与右手。手性在物理、化学、生物等基础学科及医学、药物、磁存储等技术应用领域均扮演重要角色，而手性起源更是被列为世界级的重大科学问题，如DNA的双螺旋结构为右手螺旋、自然界中的糖均为D构型、氨基酸为L构型等。手性诱导自旋选择（Chirality-induced spin selectivity, CISS）是指自旋非极化电子通过手性体系（如DNA）后产生自旋极化现象，其室温下获得的电子自旋极化率远高于铁磁材料，深刻阐明了分子手性、电子自旋、磁性三者间的密切关系，是目前物理、化学、生物、材料及医学等多学科交叉的热点研究方向。CISS对深入理解手性起源、鸟类迁徙等现象以及制备新型自旋电子器件均起关键作用。目前，该领域存在若干尚未解决的关键科学问题，如CISS的微观机制、实验与理论计算能否定量符合、CISS由单体手性还是超分子手性决定等。

针对上述科学问题，研究人员结合实验与理论方法，深入研究了螺旋纳米纤维的横向CISS，其中螺旋纳米纤维完全由非手性聚苯胺通过自组装方式制备，而电子以垂直螺旋轴方式入射纳米纤维。他们首先利用原子力显微镜直接测量了多个螺旋纳米纤维样本的自旋输运性质，发现左手性和右手性纳米纤维呈现很强且相反的自旋选择现象，相应的电子自旋极化率达到70%。随后提出包含弱自旋-轨道耦合的模型哈密顿量研究了横向CISS，并定量解释了实验。这项工作解决了CISS领域的若干重要问题：首次提出理论模型研究了手性体系的横向CISS，定量解释了横向CISS实验；他们的理论能统一解释一系列纵向CISS实验和横向CISS实验；相对于单体手性，超分子手性对CISS起关键作用。

上图：螺旋纳米纤维的组成单元、空间结构及其横向CISS的实验测量装置

左下图：自旋极化率与电压的关系

右下图：多个螺旋纳米纤维样本和不同原子力显微镜探针位置得到的自旋极化率，其中离散点对应实验数据，实线对应理论计算结果

郭爱敏教授长期从事各种手性分子、二维材料等体系的量子输运理论研究，该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院先导专项、量子物质科学协同创新中心、湖南省自然科学基金等项目的支持，同时得到了中南大学高性能计算公共平台的支持。

（一审：韩艳 二审：唐潇珺 三审：李殷）