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手性诱导自旋选择性：量子应用的一项使能技术
由于化学提供了无与伦比的灵活性，分子自旋是未来量子技术的有前途的基石，这使得设计针对特定应用的复杂结构成为可能。然而，它们与外部刺激的相互作用较弱，因此很难在单分子水平上访问它们的状态，而单分子水平是它们在量子计算和传感等领域应用的基本工具。在此，我们预见到一种创新的解决方案，利用手性诱导的自旋选择性对电子转移过程的影响，利用手性和磁性之间的相互作用。设想使用一种自旋到电荷的转换机制，该机制可以通过将分子自旋量子比特连接到一个二元组来实现，其中电子供体和电子受体通过手性桥连接。通过基于实际参数的数值模拟，结果表明，即使在相对较高的温度下，手性诱导的自旋选择性效应也可以实现分子量子比特和量子点的初始化、操纵和单自旋读出。
手性诱导自旋选择性：量子应用的一项使能技术
由于化学提供了无与伦比的灵活性，分子自旋是未来量子技术的有前途的基石，这使得设计针对特定应用的复杂结构成为可能。然而，它们与外部刺激的相互作用较弱，因此很难在单分子水平上访问它们的状态，而单分子水平是它们在量子计算和传感等领域应用的基本工具。在此，我们预见到一种创新的解决方案，利用手性诱导的自旋选择性对电子转移过程的影响，利用手性和磁性之间的相互作用。设想使用一种自旋到电荷的转换机制，该机制可以通过将分子自旋量子比特连接到一个二元组来实现，其中电子供体和电子受体通过手性桥连接。通过基于实际参数的数值模拟，结果表明，即使在相对较高的温度下，手性诱导的自旋选择性效应也可以实现分子量子比特和量子点的初始化、操纵和单自旋读出。
![arXiv:2005.03656v2 [quant-ph] 2020 年 12 月 31 日](/simg/3\302170f079f3661f5306ee8d7e034eff213e23db.webp)
arXiv:2005.03656v2 [quant-ph] 2020 年 12 月 31 日
手性诱导自旋选择性 (CISS) 描述了手性分子的有效自旋过滤。自近二十年前发现以来，这种现象已导致纳米级量子自旋操纵，有望应用于自旋电子学和量子计算。然而，其潜在机制仍然是个谜，因为所需的自旋轨道相互作用 (SOI) 强度出乎意料地大。在这里，我们报告了一种 CISS 的多轨道理论，其中有效 SOI 是由多体关联引起的电子空穴配对的自发形成产生的。该机制产生了达到室温能量尺度的强 SOI，这可以支持在 CISS 中观察到的大自旋极化。我们理论的一个核心要素是价带和导带的 Wannier 函数分别对应于分子伸长方向空间旋转对称性的一维和二维表示。发现当带隙增加时，诱导的 SOI 强度会降低。我们的理论可能为寻找具有 CISS 效应的其他分子提供重要指导。
手性诱导的自旋选择性使电化学和光电化学反应取得新突破
为了促进从碳能源依赖型社会向可持续社会的转变，传统的工程策略应进行范式转变，因为它们受到与内在材料特性相关的限制。从理论角度来看，氧析出反应（OER）的自旋相关特性揭示了自旋极化策略在提高电化学（EC）反应性能方面的潜力。手性诱导自旋选择性（CISS）现象因其在实现新突破方面的潜在效用而引起了前所未有的关注。本文从旨在提高自旋相关OER效率的实验结果开始，重点关注基于CISS现象的EC系统。通过各种分析方法验证了自旋极化对EC系统的适用性，以阐明自旋相关反应途径的理论基础和机制。然后将讨论扩展到基于CISS效应的光电化学系统中有效的自旋控制策略。本文探讨了自旋态控制对动力学和热力学方面的影响，还讨论了 CISS 现象引起的自旋极化对自旋相关 OER 的影响。最后，讨论了增强自旋相关氧化还原系统性能的未来方向，包括扩展到各种化学反应和开发具有自旋控制能力的材料。