科學家實現貌似”違背物理定律”的做法:用磁鐵區分左和右
控制分子和晶體的手性在藥物發現和顯示技術等各個研究領域都是至關重要的。最近,人們做出了創新的努力,利用磁鐵來區分手性分子的手性(左手或右手),為傳統的化學方法提供了一個替代方案。然而,這種新方法背後的物理學一直是一個爭論的話題,其機制也有待證實。驗證這一假設對於改進基於磁鐵的手性控制以及將其應用於更廣泛的物質非常重要。
螺旋結構的手性是通過取鏡像而倒置的。一個由反平行自旋對代表的自旋手性,不僅可以通過拍攝鏡像來倒置,還可以通過時間倒流來倒置,而螺旋結構則不存在這種情況。通過對交變電流激勵下的手性超導體的測量,這種自旋手性被證明與結構手性有關。
“為了驗證這一假說,你必須在一個單一的手性分子中繪製電子自旋。一個很大的困難是,手性分子非常小,你無法做到這一點。”團隊負責人山本博司教授解釋說。他補充說:”相反,我們拿起一個有機手性超導體作為一個巨大的手性分子”。
穩定電子自旋需要電子在整個系統中相互關聯,或相互干擾。在超導狀態下,干擾通過電子的長期相干性而持續存在;許多電子坍縮成單一的量子力學波,並共同保持長距離的干擾能力。這一特點可能使人們能夠在比手性分子大得多的長度範圍內模擬有機手性超導體的自旋分佈。
“通過最新技術的組合,我們終於檢測到了自旋極化,”作為主要作者的博士生中島良太說。”我們對與所提出的假說的出色對應感到驚訝。我們發現手性超導體的不同手性有不同的自旋分佈。”
“觀察到的自旋分佈與手性識別有關”,作為兩位通訊作者之一的Daichi Hirobe助理教授闡述說。”根據手性的不同,兩個自旋極化在超導體的兩個邊緣面對面或背對背地坐著。這種獨特的配置已經被假設為手性分子的配置,但它還沒有被驗證。”
這種自旋配置在手性晶體結構的任何旋轉下都是不變的,這是之前報導的一種液體中基於磁鐵的手性識別的關鍵。
Hiroshi Yamamoto教授認為該團隊的成就是對手性和磁性之間微妙聯繫理解的一大進步。”由自旋分佈產生的手性能夠從系統外部識別分子/晶體的手性,這似乎違背了物理學的規律。”
研究小組為與自旋有關的手性創造了”T-odd手性”,注意到自旋被時間反轉操作”T”逆轉的事實,他們的發現也有望在未來的超導自旋電子學中找到應用。