“以旋转而非电压搬运电子”……UNIST揭示螺旋纳米线“量子泵”运行原理[读懂科学]

by Kim Jonghwa

Published 04 Jun.2026 08:19(KST)

电场方向旋转一圈即可实现定量电荷迁移……轨道角动量与自旋极化同步产生
与美国宾夕法尼亚州立大学联合研究……为纳米电子与自旋电子学器件设计提出新可能性

蔚山科学技术院（UNIST）与美国研究团队从理论上阐明，像螺丝般扭曲的螺旋形纳米线可作为将电子按固定数量朝单一方向输运的“量子泵”运行。尤其是在电荷迁移过程中，电子的轨道角动量与自旋极化也会同时产生，这为下一代纳米电子器件和自旋电子学技术开发提出了新的可能性。

UNIST于4日表示，Park Nojeong物理系教授团队与美国宾夕法尼亚州立大学教授 Binghai Yan 团队合作，揭示了一维螺旋材料的相位电荷泵浦工作原理。

施加旋转电场时，螺旋形纳米线内部电荷沿单一方向移动的“拓扑电荷泵浦”现象示意图。电荷移动过程中会产生轨道角动量，其中一部分通过自旋—轨道耦合转化为自旋极化。此外，该图还展示了随着电场方向周期性变化，电子状态发生变化并引发定量电荷迁移的原理。研究团队供图

据研究团队介绍，具有螺旋结构的纳米线可像古代用于提水的阿基米德泵一样，在量子世界中实现电荷输运。正如阿基米德泵仅靠旋转运动便可将水从下方提升至上方，螺旋形纳米线也仅需让电场方向缓慢旋转，便可使电子朝固定方向移动。

此次研究的核心在于，这种结构可作为“相位电荷泵（Thouless quantum pump）”运行。相位电荷泵是一种量子现象，即当外部条件按一个周期发生变化时，电荷会按既定数量发生迁移。它并非像一般电流那样通过施加电压让电子流动，而是通过周期性改变电子的量子态来实现电荷迁移。

现有相位电荷泵通常需要精密调控两个以上控制变量，但研究团队确认，利用螺旋结构时，仅凭让电场方向旋转一周这一个条件，也能实现电荷泵浦。

研究团队以螺旋烃模型和三方晶系硒纳米线为对象，分析了随时间变化的电子态，从理论上证明了这一现象。

研究团队照片。Park Nojeong教授（左）与Esmail Taghizadeh Sisakht博士。UNIST供图

研究结果显示，在电荷泵浦过程中，电子的轨道角动量和自旋极化也会同时产生。电子沿螺旋结构移动时，会先形成轨道角动量；而在硒纳米线中，其中一部分又通过自旋—轨道耦合转化为自旋极化。也就是说，电子的公转运动特性进一步转化为了自转运动特性。

Park Nojeong教授表示：“我们首次阐明了，在具有手性对称性的纳米线中，拓扑电荷泵浦、轨道角动量和自旋极化会通过一个统一机制相互连接。今后，这有望成为开发以拓扑方式调控电子、轨道和自旋特性的新型纳米器件的基础。”

此次研究由 Esmaeil Taghizadeh Sisakht 博士作为第一作者参与，在科学技术信息通信部与韩国研究财团基础研究项目、以及产业通商资源部下属韩国产业技术振兴院人才培养项目支持下完成。研究结果已于上月13日刊登于国际学术期刊 Nano Letters。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。