电子自旋的高效调控是自旋电子学与信息存储领域的核心，手性-光子-自旋-晶格耦合与手性诱导自旋选择性（CISS）效应为自旋调控提供了新途径，原子级精确的手性金属纳米团簇也因此成为揭示多自由度耦合机制的理想平台。近日，物理学院秦伟教授与化学与化工学院孙頔教授合作，在该领域取得系列新进展。
声子可以携带角动量，并能够与电子和光子之间交互。这使得可以通过声子对电子自旋进行调控，如磁子-声子耦合、自旋-Peierls跃迁、声子极化子等，在自旋信息处理和存储等领域引起了相当大的关注。在原子级精确的手性纳米簇中实现了室温自发自旋极化，中心金属核心与四周的手性配体间的电-声子耦合差异，提供了声子对电子自旋进行调控的通道；同时，手性结构诱导的手性势场通过手性轨道-自旋耦合与电子自旋相互作用，为体系提供了更丰富的自旋调控途径（图1a）。由于金属核心与周围的手性有机配体之间的强相互作用，自旋极化对于左旋和右旋手性纳米团簇呈现出明显的差异，其中右手构型的纳米簇的自旋极化强度远大于左手构型。对该体系的进一步研究揭示了电-声子耦合与手性轨道角动量在控制自旋极化和自旋-光子耦合方面的竞争机制（图1c-1d）。这些发现深入揭示了手性、电子自旋、晶格振动与光子自旋之间的相互作用，为设计应用于自旋电子学、手性光子学及自旋信息处理领域的手性材料开辟了新途径。相关成果以“Enabling Coherence of Polarized Spin and Photon in Chiral Nanoclusters through Chirality-Mediated Magnetization Control”为题发表在Applied Physics Reviews上，高铭升博士和博士后韩保亮为论文共同第一作者，第一单位为AC米兰中文官方网站，秦伟教授和孙頔教授为共同通讯作者。
图1. （a）手性金属纳米团簇的手性-光子-自旋-晶格耦合示意图；（b）圆偏振光相关的拉曼光谱；（c）右手构型和（d）左手构型团簇的XMCD谱。
并且，基于手性团簇，将一对手性对映体与铁电聚合物 P (VDF-TrFE) 集成，构筑了手性纳米团簇/铁电异质结器件，实现了基于 CISS 效应的非易失界面磁电耦合。手性纳米团簇的CISS效应使界面处自旋极化与铁电偶极极化协同耦合（图2a），铁电层的剩余极化态可在撤去电场后保持对界面自旋极化的调控，且与手性相关（图2b）。同时，脉冲电压可调控团簇的自旋态，圆偏振光激发为协同调控磁电耦合强度与电偶极强度提供了新的手段。这些发现深入揭示了手性、电子自旋、偶极极化与光子自旋之间的协同作用机制，为设计应用于自旋电子学、手性光子学、非易失存储及自旋逻辑器件领域的手性材料开辟了新途径。相关成果以 "Nonvolatile Interfacial Magnetoelectric Coupling via CISS Effect from Chiral Nanoclusters" 为题发表在Applied Physics Reviews上，博士生赵祥萍、博士后张成凯为论文共同第一作者，第一单位为AC米兰中文官方网站，秦伟教授和孙頔教授为共同通讯作者。
图2.（a）手性纳米簇/铁电异质结中 CISS 效应介导的非易失界面磁电耦合示意图；（b）手性相关磁矩的可逆翻转与非易失保持。
并且，基于有机自旋晶体的结构设计，利用有机同分异构体的相似性，制备了具有分子间堆叠偏移的有机同分异构共晶，研究对比了两种共晶在光学性质和介电性质上的差异，在此基础上进一步探索其受外场调控性质的规律，得到了堆叠偏移能显著提升外加磁场对有机电荷转移自旋态调控能力的结论，以Stacking Offset Significantly Enhances the Magnetic-Field Modulation of Charge Transfer Spin States in Isomeric Organic Crystals为题，发表在Nano Letters上，物理学院博士生廖恩泽为第一作者。此外，基于手性自旋电子学的发展，秦伟等总结了最近几年的相关研究工作，以Organic opto-spintronics in materials design, fundamental physics and devices optimization为题，在Applied Physics Reviews上受邀发表综述论文。
以上研究得到了国家自然科学基金委、山东省自然科学基金重大基础研究项目、山东省重点研发计划、山东省基础研究特区、晶体材料全国重点实验室、上海同步辐射光源BL07U光束线站的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0344794
文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0355072
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c03825
文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0303800
