2026年2月19日——为满足当今计算需求，研究人员深入量子领域寻找处理海量数据的更优方案。新兴的“轨道电子学”正是最新探索方向。该技术利用电子绕原子核运动的轨道角动量特性，以更高效率存储和处理更多信息。传统方法需依赖铁等磁性材料控制电子轨道，但这些材料重量大、成本高，制约了实际应用。

最新研究中，该团队开发出迄今最高效的电子轨道角动量生成系统，其核心突破源于现代物理学最热门研究方向之一——手性声子现象的发现。这是首次证实手性声子能将轨道角动量直接传递给非磁性材料中的电子。

“传统轨道电流生成需要向特定过渡金属注入电荷电流，而这类元素多被列为关键材料，”北卡罗来纳州立大学物理学家、研究合著者孙大立（音译）解释道，“新方法让我们能使用更廉价、更丰富的材料。”

犹他大学物理与天文系杰出教授、合著者瓦列·瓦尔登尼补充：“不需要磁铁、电池或电压，仅需具有手性声子的材料。这曾是不可想象的突破，可以说我们开创了新领域。”该成果由北卡罗来纳州立大学主导，合作机构包括犹他大学，于2026年1月21日发表于《自然·物理》期刊。

破解手性声子的竞赛

研究创新点在于利用原子自然对称性与振动控制电子轨道动量。固体中的原子呈晶格结构紧密排列，其形状因材料而异。金属等对称材料中，原子呈立方体堆叠，镜像可完全重合；而石英等手性材料的原子呈螺旋排列，具有无法叠加的“左旋”或“右旋”特性，这种对称性称为手性。人类双手就是典型的手性对称范例。

手性声子的特殊性在于：手性材料的扭曲晶格结构迫使原子自然呈现螺旋式振动。声子是穿过固体的集体振动波，手性材料会产生手性声子。研究人员首次证明，手性声子的角动量可直接转化为电子轨道角动量。

原子排列的奥秘

由于电子带负电，磁场是影响其轨道角动量的关键要素。与传统金属不同，石英重量轻、成本低，其手性声子自带内禀磁场。犹他大学团队首次在佛罗里达国家强磁场实验室直接测量了石英的磁性，通过激光反射分析发现其手性声子携带强磁场。

“尽管材料本身无磁性，手性声子提供了磁性操控手段，”论文合著者、犹他大学博士生里卡德·博丁表示，“就像我们发现轨道塞贝克效应时，虽不能立即应用于电视，但它创造了新技术杠杆。技术演进总是这样——从无到有，直至无处不在。”

研究团队使用具有手性结构的α-石英晶体，通过施加磁场使左右旋声子定向排列。当达到临界质量时，无需外磁铁即可将效应传递给电子，形成电子角动量流，该现象被命名为“轨道塞贝克效应”。通过在石英表面沉积钨、钛金属层，研究人员将隐藏的“轨道流”转化为可测电信号。

该方法适用于碲、硒及有机-无机杂化钙钛矿等手性材料，其效率远超现有系统，能以更少材料维持更持久的轨道角动量。这项突破为开发新一代节能信息存储与处理设备开辟了道路。