一个新的手性电子通路工程平台为化学家发现的一种量子现象提供了潜在的新见解--它体现了第二次量子革命如何促进跨学科合作，在物理、化学和生物学之间架起桥梁，以解决根本性问题。

20 世纪 90 年代末，魏兹曼研究所的罗恩-纳曼（Ron Naaman）和匹兹堡大学的戴维-瓦尔德克（David Waldeck）正在研究电子如何从手性分子中散射。之前的气相实验显示，当自旋极化电子遇到左手或右手分子时，会出现微小的不对称现象--小于 0.01%。由于影响太小，许多人认为这并不重要。

但在 1999 年，两位研究人员进行了不同的尝试。他们没有使用气相中的孤立分子，而是制作了有组织的手性分子薄膜，并测量了光电子通过时的散射情况。

结果令人大吃一惊：不对称程度跃升至10-20%，比人们预想的要大一千倍以上。自旋方向不同的电子通过手性薄膜的传输概率也大不相同。

他们的发现开创了一个领域，二十多年后，这个领域仍然令研究人员感到困惑。从光合作用中的电荷分离到为细胞呼吸提供动力的电子传递链，这种手性诱导的自旋选择性（CISS）效应出现在整个生物学中。然而，尽管进行了大量的实验和理论研究，人们对其机理仍然知之甚少。

这一观察结果从多个方面颠覆了传统智慧。生物分子是温暖、潮湿和嘈杂的，在这种纯净的条件下，微妙的量子效应通常难以存活。此外，发生 CISS 的分子通常比电子自旋通常保持其方向的距离要长得多。

然而，不知何故，这些生物系统似乎根据一种没有经典类似物的纯量子特性过滤电子。

CISS 效应对于理解手性分子系统的量子传输具有深远的意义。这种现象出现在一系列手性分子和材料中，提出了分子几何与电子自旋之间关系的基本问题，这些问题横跨化学、物理学和生物学。

但是，尽管化学家和物理化学家进行了二十多年的深入研究，基本机制仍然难以捉摸，这主要是因为研究人员缺乏工具来系统地研究可控手性体系中的量子输运，而理论理解需要精确的量子输运。

现在，匹兹堡大学杰里米-莱维（Jeremy Levy）领导的研究团队开发出了一种量子手性可编程平台，为探索手性系统中的电子相互作用提供了新方法。这项研究发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。

利用铝酸镧和钛酸锶之间的氧化物界面，他们可以在纳米尺度上将电子通路雕刻成任意的螺旋几何形状，从而创造出每个参数都可以精确控制的人工手性系统。他们的研究结果揭示了令人惊讶的量子现象，并为探索 CISS 等效应背后的潜在机制提供了新的途径。

相互作用量子系统的挑战

揭示 CISS 背后机制的困难体现了理解相互作用量子系统所面临的更广泛挑战。

相互作用电子是量子化学和材料的核心，包括理解高温超导体和磁性材料、开发工业催化剂和电池阴极以及药物发现。然而，要理解电子在相互作用量子系统中的行为一般来说是非常困难的。

在这些复杂的系统中，人们往往对电子相互作用的基本动力学过程不甚了解，在大多数情况下，即使是简单的模型也无法通过传统技术求解。

特别是，随着粒子数量的增加，支配多体量子力学的方程也会变得呈指数级复杂。

这就是模拟量子仿真领域作为一种强有力的替代方案出现的原因。研究人员不是试图直接求解方程，而是创建人工的、可控的（甚至是可编程的）量子系统，模拟他们想要了解的物理学。

LaAlO ₃ /SrTiO ₃界面手性超晶格器件的制作与设计。

如果你想研究特定类型晶格结构中的电子，你可以人为地构建这种晶格，然后测量会发生什么。这是一种补充方法，依赖于对微观系统的控制，是第二次量子革命的一部分，也是量子计算的另一种方法。

经典物理学中的一个类比是在风洞中使用比例模型来研究空气动力学，这在计算建模具有挑战性的情况下往往是可行的。

这种方法已经取得了显著的成功，尤其是捕获在光学晶格和镊子阵列中的超冷原子气体，以及连接的超导系统。这些系统实现了包括自旋液体在内的奇异相位，并被用于探索一些基础动力学。

最近，在扭曲的范德瓦耳斯材料中发现的摩尔纹为量子态工程开辟了新的道路。当石墨烯等二维材料以微小的相对扭曲堆叠时，所产生的超晶格可以极大地改变电子特性。但是，这些系统虽然具有革命性意义，但对可实现的特定几何形状的控制却十分有限。

手性系统相互作用的跨学科方法

匹兹堡研究团队正是在这种背景下建立了他们的可控系统来探索手性动力学--这种合作汇集了凝聚态物理、材料科学和量子理论的专业知识。

鉴于工程固态系统与生物分子之间的巨大差异，他们的工作并不试图复制分子 CISS 的确切条件--这样做几乎是不可能的。相反，他们的研究提供了一种具有潜在价值的不同方式：在受控环境中测试关于手性如何影响量子传输的具体理论预测。

“这种方法的美妙之处并不在于它完全模仿了化学或生物学，而在于它允许我们分离并研究与手性量子输运相关的单个过程，"列日大学的理论物理学家弗朗索瓦-达马内（Fran?ois Damanet）解释说，他帮助开发了这一理论框架。

”我们可以系统地改变手性调制的音调、振幅和耦合强度等参数--这在固定结构中是不可能实现的?！?/span>

器件 A 在T  = 25 mK时的传输数据。

这种受控方法解决了这一研究领域的一个基本挑战。虽然分子系统提供了真实生物学的复杂性，但它们也呈现出一个由各种变量组成的纠缠不清的网络：构象动力学、振动模式、环境波动和化学特异性都同时发挥作用。

要弄清是哪些因素驱动了自旋选择性，需要参数可以独立变化的系统--这一挑战将得益于物理学、化学和材料科学的综合见解。

未来，这为在受控条件下测试理论上提出的自旋选择性传输机制提供了可能。一些理论认为，手性几何诱导的自旋轨道耦合可以解释分子的自旋选择性。

匹兹堡系统人为地产生了这种耦合，使研究人员能够在没有分子振动、化学紊乱或环境波动等复杂因素的情况下测量其效果。

人工手性系统还能在补充分子研究的参数体系中运行。分子 CISS 通常涉及电子与局部分子轨道之间的短程强耦合，而工程波导则探索扩展电子态之间的长程弱耦合。

这两种情况对于了解手性量子输运的全部范围可能都很重要。该平台的可编程性意味着它可以测试关于传输如何依赖于系统参数的具体理论预测，在受控条件下验证理论框架，并根据观察到的现象（如增强的电子配对和新型干扰效应）启发新的理论方法。

工程手性

匹兹堡团队的方法建立在莱维团队2008 年首创的一项技术之上：使用导电原子力显微镜（c-AFM）尖端在铝酸镧（LaAlO₃）和钛酸锶（SrTiO₃）之间的氧化物界面上 “写入 ”电子电路。

正偏压针尖可在局部将界面从绝缘状态转换为导电状态，而负偏压则可恢复绝缘状态。这样就能以纳米精度勾勒出电子通路。

手性纳米线传输过程中的特征振荡行为。

但是，创建真正的手性结构需要超越简单的线条绘制。该团推开发了一种结合了两种调制方式的技术：在横向上，原子力显微镜针尖沿着蛇形路径移动，在电子的束缚中产生正弦变化。

同时，他们在书写时对针尖电压进行正弦调制，从而在约束电势中产生垂直变化。当这两种调制相移 90 度时，结果就打破了镜像对称性--手性的数学特征。

这项技术是量子控制领域的一大进步。研究人员现在不再受制于天然材料的对称性，而是可以创建任意的手性几何结构，并系统地改变间距、半径和耦合强度等参数。最重要的是，同一个装置可以被擦除，并以不同的模式重新写入，从而实现传统材料无法实现的可控研究。

量子惊喜

工程手性波导揭示的现象甚至令其创造者都感到惊讶。最值得注意的是，研究小组观察到增强的电子配对，这种配对在高达 18 特斯拉的磁场中依然存在--约为地球磁场的36万倍。而在类似的直波导中，这种配对通?；嵩诘偷枚嗟拇懦≈兄卸稀?/span>

更有趣的是，电导的振荡同时取决于磁场强度和电子能量。这些振荡的振幅超过了电导的基本量子，并显示出一种新型量子干涉的模式。

为了理解这些观测结果，研究小组建立了理论模型，将手性调制视为通过自旋轨道耦合（电子运动影响其自旋方向的量子效应）产生有效的轴向磁场。这种工程耦合似乎将电子自旋锁定在其动量上，这一现象与 CISS 机制的理论建议如出一辙。

理论分析表明，穿过手性区域的电子可以同时存在于单重态和三重态配对状态--单重态对具有反平行自旋（总自旋 S=0），而三重态对具有平行自旋（总自旋 S=1）--自旋轨道相互作用导致这些配对构型之间产生相干振荡。只有单重态可以通过导线传输，从而产生观测到的电导振荡。

局限性和未来方向

匹兹堡研究团队谨慎地承认了他们研究方法的局限性。工程手性系统在毫开尔文温度而非室温下运行，使用无机材料而非有机材料，涉及扩展电子态而非生物系统典型的局部分子轨道。这些差异意味着物理学可能无法直接转化为分子 CISS。

不过，研究人员认为，了解任何受控系统中的手性量子输运都能提供有价值的见解。许多基本量子现象，从超导到量子霍尔效应，在与复杂材料的相关性变得清晰之前，都是首先在简化模型系统中理解的。

手性势中电子概率密度和轨道角动量的理论模型。

此外，LaAlO₃/SrTiO₃ 平台的微观动力学的某些方面仍未被完全理解。但同样，这些类型的分析有可能为我们深入了解创造平台本身的材料提供宝贵的资料。

未来的另一项工作还将致力于更直接地弥合平台与分子化学之间的差距。该团队正在开发将可编程氧化物平台与有机材料相结合的混合系统，从而有可能研究工程手性电位中的分子传输。他们还在探索如何在更高温度和更复杂的电磁环境中工作。

这种方法目前正朝着将可编程层与所研究的电子系统分离的方向发展。研究人员正在开发将可编程 LaAlO₃/SrTiO₃ 平台与碳纳米管相结合的混合模拟量子模拟器。

在这些系统中，氧化物界面作为可编程层，产生手性电势，而碳纳米管则作为一个独立的电子系统，发生量子传输--实质上是让直的纳米管表现得像螺旋管。

这种将编程平台与传输介质分离的做法为几何形状与电子特性之间的耦合提供了新的控制水平，最终可以在更受控的条件下对分子 CISS 进行研究。

量子物质编程

这项工作体现了凝聚态物理学更广泛的转变。传统的材料科学侧重于发现具有有趣特性的化合物。

最近在扭曲范德华材料方面取得的进展则将注意力转移到了通过精心组装实现工程特性上。现在，该领域正朝着量子物质的真正编程方向发展，通过设计的电势可以实现任意的哈密顿量。

对于 CISS 界来说，这种可编程方法提供了新的实验工具，补充了传统的分子研究。虽然它可能无法立即解释 DNA 为何具有自旋选择性，但它有助于确定哪些理论机制在物理上是合理的，哪些几何因素对手性传输最为重要。

该平台还为凝聚态物理学家和化学物理学家之间的未来对话创造了新的机会，有可能促进原本可能不会发生的合作。

该平台的可重新配置性意味着，系统研究能够以天然材料无法实现的方式探索手性量子传输的参数空间。随着理论认识的不断深入，可以对系统进行重新编程，以测试新的预测并探索手性量子物理学的不同方面。

工程手性系统能否最终解释分子系统中 CISS 效应的奥秘还有待观察。但它们已经揭示出，手性的量子世界比许多人想象的更丰富、更可控。

在一个理论进展往往很缓慢的领域，拥有可以随意编程和重新编程的系统可能是解开量子力学中一些最令人费解的现象的关键。

其目标不是取代分子研究，而是用一种新的实验工具来补充分子研究，这种工具可以分离和测试手性量子传输的特定方面。

通过在简化的可控系统中了解这些机制，研究人员可能会获得对了解复杂得多的生物量子传输世界至关重要的见解--这证明了固态物理学的见解如何能够阐明化学和生物学中的基本问题。