亚洲大学-KAIST在量子材料中观测到自旋-电荷分离

by Choi Youngchan

Published 11 Jul.2025 11:35(KST)

阐明链式结构电子特性，为量子研究奠定电学基础

亚洲大学11日表示，该校物理学系教授 Kim Seongheon 与韩国科学技术院（KAIST）Hyun Junghoon 博士、Kim Yonggwan 教授组成的联合研究团队，成功在一维链式结构物质中横跨导体–绝缘体转变区间观测到“自旋–电荷分离”现象。

自左起为 Kim Seongheon 아주大学教授（通讯作者）、Hyun Junghoon 博士（第一作者）、Kim Yonggwan KAIST 教授（通讯作者）。아주大学提供

此次研究成果以题为《准一维 NbSe₃ 中跨越电荷密度波转变的能带选择性自旋–电荷分离（Band-selective spin-charge separation across the charge density wave transition in quasi-1D NbSe3）》的论文形式，发表在美国物理学会出版的物理学权威学术期刊《Physical Review Letters》最新一期上，并被选为编辑推荐论文（Editors' Suggestion）。

电子是构成物质原子的基本粒子，带负电。电子具有电荷和自旋这两种代表性性质。电荷是使电子能够感受电力、从而形成电流的基本属性；自旋则是类似于电子自身自转的量子力学性质，是决定磁铁等磁性特征的关键因素。

在电子间相互作用很强的一维金属物质中，早就有理论预测认为，与通常物质中电子遵循费米液体模型不同，可以通过勒廷格液体模型来描述电子的运动。在勒廷格液体模型中，电子所具有的两种代表性性质——电荷与自旋——所携带的信息会像彼此独立运动一样表现出来，这便是所谓“自旋–电荷分离现象”，相关理论预言已经提出。

一维金属材料中光电子发射过程中出现的自旋–电荷分离示意图（左），以及以不同速度传播的自旋运动（Spinon）和正电荷运动（Holon）的能量–动量分布示意图（右）。亚洲大学提供

这一现象不仅为阐明超导现象出现之前的非费米液体状态提供了线索，而且由于有望作为分别传递自旋与电荷这两类不同信息的量子信息功能材料而备受关注。

所谓超导现象，是指电阻变为零的现象，会在零下约240℃以下等特定极低温条件下出现。利用超导体可以在没有电力损耗的情况下使用能源，因此超导现象和超导体近年来一直受到学术界和产业界的高度关注。

所谓量子信息材料，是指用于量子计算机、量子通信、量子传感器等领域的材料。以量子力学原理为基础的下一代量子技术是一种全新类型的技术，能够更快地处理更多信息，从而在各类产业领域大幅提升效率和生产力。

随温度变化的铌（Nb）–硒（Se）化合物 NbSe₃ 光电子能量–动量分布实验结果。虚线分别表示自旋运动（红色）与正电荷运动（黑色）的谱线。可以观测到，随着温度升高电荷密度波能隙关闭，但自旋–电荷分离现象依然保持。

正是这种能够为多个尖端领域提供全新理解的现象，被称为“自旋–电荷分离”。然而，与通过理论预测已经给出电子行为“解法”不同，在真实物质中直接观测到该现象的案例却极为罕见。自旋–电荷分离被认为是由电子间强相互作用所导致，但正是这种“强相互作用”同时又会妨碍对自旋信息运动的观测，因此长期以来难以获得实验性证据。尤其是，既很难实现理想的一维电子体系，又在直接调控电子间相互作用强度方面存在局限，迄今为止关于这一现象的实验证据仅能非常有限地捕捉到。

随温度变化的铌（Nb）-硒（Se）化合物（NbSe3）光电子能量-动量分布实验结果。虚线分别表示自旋运动（红色）和正电荷运动（黑色）的谱线。可以观测到，随着温度升高，电荷密度波能隙闭合，但自旋-电荷分离现象仍然存在。亚洲大学提供

为解决上述难题，亚洲大学联合研究团队着手寻找适合存在适度电子相互作用的候选材料。研究团队合成了由三种一维原子链构成的铌（Nb）–硒（Se）化合物 NbSe₃ 样品，并通过利用角分辨光电子能谱法进行能带结构分析，成功直接观测到自旋信息与电荷信息以不同速度传递的行为。角分辨光电子能谱法是通过分析物质在强光照射下逸出的光电子的动能和动量，从而观测物质内部量子现象的一种实验方法。

研究团队在同步辐射加速器上，用聚焦到微米（μm，1μm=0.001mm）尺度的强紫外光照射样品，并分析由此发射出的光电子。通过这一过程，他们清晰捕捉到：化合物内部光电子逸出后在其空位上形成的正电荷运动（空穴准粒子，Holon）与各个电子自旋翻转所引起的自旋运动（自旋子，Spinon）呈现出明确分离的行为。

进一步地，研究团队还在一维物质中常见的另一量子现象——电荷密度波出现所引发的导体–绝缘体转变过程中，成功观测到自旋与电子分离运动的情形。自旋–电荷分离与电荷密度波都是在超导特性显现之前可能出现的一维电子体系典型量子现象，今后若能对二者之间的相互关联性开展进一步研究，有望为阐明超导现象的产生机理提供重要线索。

亚洲大学物理学系教授 Kim Seongheon 表示：“我们这次直接观测到，在一维物质的独特环境中，关于电荷与自旋的信息以相互独立的方式集体传递的行为。”他还称：“今后如果能进一步通过调控晶体结构或相互作用强度，将有望找到揭示超导产生机理的关键线索。”

Kim 教授补充表示：“在解决基础物理学难题的同时，还可以利用电荷与自旋这两个彼此独立的自由度，拓展到开发新型量子信息材料等应用领域。”