“填补爱因斯坦与量子力学鸿沟”……解释电子运动新理论问世

Published 08 Jul.2025 08:48(KST)

Updated 30 Jul.2025 17:43(KST)

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UNIST与延世大学提出无需轨道角动量即可解释自旋轨道相互作用的新理论

有助于开发基于自旋的下一代半导体存储器等成果…刊登于Phys. Rev. Lett

“上帝不掷骰子”是爱因斯坦在批评量子力学的概率论思维时留下的一句话。

矛盾的是，他的相对论却成了用来解释量子力学主要观测对象——电子——所必需的工具。因为电子一方面小到必须用量子力学来分析，另一方面又快到需要相对论来描述。

由于这两种理论的出发点不同，在某些方面难以给出自洽的统一解释，而用来弥合这一鸿沟的理论已于6月27日发表在物理学最高权威期刊《Physical Review Letters》（《物理评论快报》）上。

有评价认为，描述电子运动的固体物理学教科书可能都要重新改写。

UNIST物理学系Park Nojeong教授与延世大学Kim Kyunghwan教授团队8日表示，他们提出了一种能够在固体中更精确地描述电子“自旋”的新理论。

研究团队（自左起）为 Yonsei University 教授 Kim Kyunghwan、UNIST 教授 Park Nojeong、UNIST 博士 Kim Beomseop（现为宾夕法尼亚大学博士后研究员）。UNIST提供

电子具有两种旋转：自旋（Spin）和轨道角动量（Orbital Angular Momentum）。如果把自旋比作地球的自转，那么轨道角动量就可以比作地球绕太阳的公转。自旋与轨道角动量通过相互影响的“自旋–轨道耦合”（Spin–Orbital Coupling），决定了物质的磁性、电导性等性质。

问题在于，自旋–轨道耦合是从相对论的高能区推导出来的，而在处理固体或半导体等实际物质时，却是低能区的量子力学占主导地位。

当研究物质内部的自旋–轨道耦合时，由于两种理论有着不同的前提，要在同一套计算框架内解释现象存在局限。例如，在固体晶格中就很难对轨道角动量给出精确定义。

研究团队提出了一种不依赖轨道角动量、即可解释物质内部相对论效应——自旋–轨道耦合——的新理论。他们定义了“自旋–晶格相互作用”（spin-lattice interaction）这一概念。

研究团队将这一新的计算方法应用于真实物理体系进行了验证。

他们确认，对于一维导体（铂原子链）、二维绝缘体（h-BN），以及三维半导体（GaAs）等多种材料，该方法在预测自旋分布、自旋电流和磁性响应等方面，比既有方法更加准确、高效。

在一维（Pt 链）、二维（h-BN）、三维（GaAs）材料中，对自旋-晶格相互作用与传统自旋-轨道耦合进行比较。

联合研究团队表示：“这是消除量子力学与相对论之间鸿沟所导致的计算不一致性的一种方法”，“今后有望作为基础理论，广泛应用于自旋电子学、下一代存储半导体器件等自旋基础电子器件的设计。”

本项研究由UNIST的Kim Beomsup博士（现为宾夕法尼亚大学博士后研究员）作为第一作者参与完成。

研究工作得到了科学技术信息通信部韩国研究财团、UNIST–三星电子半导体产学合作项目、延世大学以及SRC–量子角动量动力学中心的资助。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。