近日，《纳米快报》[Nano Letters, 24, 6210 (2024)]期刊在线刊发凝聚态物理研究所傅华华教授课题组题为《环状螺旋分子的持续自旋诱导自旋选择效应》（Persistent Chirality-Induced Spin-Selectivity Effect in Circular Helix Molecules）的学术论文。华中科技大学为论文第一单位，傅华华教授为该论文唯一通讯作者，该课题组博士生陈松同学为论文第一作者。在该工作中，作者发现了一类新型手性诱导的自旋选择（CISS）效应，并对其进行了命名。该工作被Nano Letters选为期刊封面论文。
我们知道手性诱导的自旋选择（CISS）效应，一直是凝聚态物理和手性自旋电子的前沿研究热点和难点。该效应实验上首次在双螺旋DNA分子中被发现，随后在其它各种类型的手性材料和手性结构中被观测到；但遗憾地是，该效应的物理机理仍不清楚，仍没有一个统一的理论解释各种手性材料的CISS效应。该论文作者在该工作中，首次证明在各种单链DNA分子环和310-螺旋蛋白质分子环中，无论是否施加外部磁通，都可以产生持续性的CISS电流，见图1所示。这种新型的CISS效应首次出现在平衡态输运过程，明显不同于过去在非平衡输运过程和线性螺旋分子等手性分子中报道的传统CISS效应。由于该类CISS效应在过去未被报道过，论文作者称之为Persistent CISS (PCISS)效应。特别是所需要的自旋轨道耦合，无论是来自于材料自身手性结构，还是来自衬底的重金属元素，PCISS效应和相应的PCISS自旋流依然存在，见图2所示，充分说明该PCISS效应的稳定性和普适性。
图1. (a)环状手性分子(CHM)理论模型。(b)图(a)中黑色虚线包围的CHM小片段的几何结构。(c) CHM中手性诱导的自旋轨道耦合和重金属衬底提供的自旋轨道耦合。(d)一种穿过螺旋分子还的倾斜磁通。
图2. (a)和(b),由均匀圆形磁通Bc驱动的电荷电流Ic和自旋电流Isz分别在环形ssDNA中无任何远程跳变(J = 1)，环长= 20和16。(c)在J = 3和N= 20的环状ssDNA中，由Bc驱动的Ic和Isz。(d)在J = 1和N= 20的圆形ssDNA中，非均匀圆形磁场驱动的Ic和Isz。(e)在310-螺旋圆形蛋白中，由均匀圆形磁场驱动的Ic和Ic。(f)驱动PCISS电流的均匀和非均匀圆形磁场的空间分布。
该研究工作还发现PCISS效应及其自旋流，与外磁通的贝里（Berry）相位或手性材料内自旋轨道耦合所诱导的有效磁场的AB效应密切相关。当磁通量通过分子环时，电子的相位相干长度可以与分子环的大小相当，甚至大于分子环的大小，然后电子在每次绕分子环时，其波函数积累一个AB相，使得电流表现为螺纹磁通量的周期函数。因此，该AB相或Berry相位是产生PCISS效应的一个重要因素。另外，该论文还给出了PCISS效应产生所需要的基本条件；而且该效应还可激发手性锁定的纯自旋电流，为产生一新类型纯自旋流提供有效机制。
该理论工作不仅为理解CISS效应潜在的物理机理开辟了一条新途径，而且还提出了一种可行的方法来探测所需要的自旋轨道耦合的物理来源；其创新性也得到了审稿人的较高评价，认为“…该工作是一个重要的理论发现…”,“…是一篇将影响CISS效应研究的论文…”等。由于该工作的创新性和重要性，被Nano Letters选为该期刊封面论文，见图3所示.该工作得到了国家自然科学基金和科技部重点研发项目的资助。
图3.该工作被Nano Letters选为该期刊封面论文。,
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/acs.nanolett.4c00383
