《自然·物理學》重磅：手性聲子“轉”出的軌道 Seebeck 效應

1. 引言

熱電效應以及由溫度驅動的輸運現象長期以來一直是凝聚態物理中的核心研究主題，它們既是非平衡物理的基本體現，也是能量轉換和信息處理的重要機制。經典的 Seebeck 效應描述了溫度梯度產生電壓的現象，是最早被發現的熱輸運效應之一。近幾十年來，隨著自旋熱電子學（spin caloritronics）的發展，熱驅動輸運的內涵得到了顯著擴展，其中最具代表性的是自旋 Seebeck 效應，即熱流可以在不伴隨電荷流的情況下產生純自旋流。

在這一研究背景下，發表在《自然·物理學》的論文 《Orbital Seebeck effect induced by chiral phonons》 提出了一個全新的物理概念：溫度梯度可以在沒有電荷輸運、磁序或強自旋–軌道耦合的條件下，產生軌道角動量流。作者將這一現象命名為軌道 Seebeck 效應（Orbital Seebeck Effect, OSE）。這一效應并非直接由電子輸運產生，而是由手性聲子所介導，體現了聲子、軌道自由度與非平衡輸運之間的深刻聯系，也為正在興起的“軌道電子學”奠定了重要基礎。

2. 背景：從自旋自由度到軌道自由度

2.1 超越電荷與自旋

傳統電子學依賴電子的電荷自由度，而自旋電子學則利用電子自旋來編碼和操控信息。然而，自旋輸運通常需要磁性材料或強自旋–軌道耦合，這在材料選擇、器件集成以及相干長度方面都帶來一定限制。

近年來，軌道自由度逐漸受到關注。軌道角動量源于電子波函數的空間分布和軌道對稱性，在原理上可以獨立于自旋存在。與自旋相比，軌道自由度：

• 不必依賴磁序
• 可在輕元素和非磁性材料中實現
• 可能具有更長的弛豫長度

這些特性使其成為潛在的信息新載體。

2.2 聲子作為角動量載體

在傳統觀點中，聲子主要承擔能量和動量的傳輸功能。然而，在缺乏反演對稱性或具有特定晶格對稱性的晶體中，聲子模可以攜帶確定的角動量。這類聲子被稱為手性聲子，其特征是在一個晶胞內原子呈現圓周或橢圓軌道運動。

手性聲子攜帶的角動量在物理上類似于圓偏振光子所攜帶的角動量，這一認識徹底改變了人們對晶格振動的傳統理解，也為聲子參與角動量輸運提供了理論基礎。

3. 軌道 Seebeck 效應的核心思想

論文的核心觀點是：在存在手性聲子的材料中，溫度梯度能夠驅動軌道角動量的定向輸運。這一效應在概念上與自旋 Seebeck 效應類似，但具有本質差異：

1. 輸運的物理量是軌道角動量而非自旋
2. 效應的產生不需要磁性
3. 該效應由聲子主導而非電子自旋極化

在軌道 Seebeck 效應中，溫度梯度導致手性聲子分布偏離平衡態，由于不同聲子模攜帶不同符號和大小的軌道角動量，這種不平衡最終產生凈的軌道角動量流。

4. 物理機制

4.1 非平衡聲子分布

當晶體兩端存在溫度梯度時，熱端的聲子激發顯著增強，而冷端聲子占據較少。在具有手性聲子的體系中，即使左旋和右旋聲子在平衡態下是簡并的，在非平衡條件下它們的貢獻也會出現差異。

4.2 聲子的軌道角動量

每一種手性聲子模都攜帶內稟的軌道角動量，這源于原子在晶胞內的旋轉振動。這種軌道角動量可以通過晶格動力學理論，并結合 Berry 相位與幾何量的形式化方法進行嚴格定義。

4.3 軌道角動量流的形成

在溫度梯度作用下，聲子從高溫區向低溫區傳播。由于這些傳播的聲子攜帶軌道角動量，其集體運動自然形成純軌道角動量流。這一過程不涉及電荷輸運，也不依賴自旋極化，是一種全新的熱驅動輸運機制。

5. 理論框架

作者基于聲子 Boltzmann 輸運理論構建了軌道 Seebeck 效應的微觀理論框架，主要包括：

• 聲子軌道角動量的嚴格定義
• 溫度梯度下非平衡分布函數的處理
• 采用線性響應理論建立軌道角動量流與溫度梯度之間的關系

在此基礎上，引入了軌道 Seebeck 系數，用以定量描述單位溫度梯度所產生的軌道角動量流強度。理論分析表明，只要體系中存在手性聲子，該系數即為非零，與是否存在磁性或自旋–軌道耦合無關。

6. 與相關輸運效應的比較

軌道 Seebeck 效應可與其他經典輸運現象進行對比：

• 傳統 Seebeck 效應：熱 → 電荷流
• 自旋 Seebeck 效應：熱 → 自旋流
• 軌道 Seebeck 效應：熱 → 軌道角動量流

與通常需要鐵磁材料的自旋 Seebeck 效應不同，軌道 Seebeck 效應可以存在于非磁性、破缺反演對稱性的晶體中，這極大拓寬了可實現該效應的材料體系。

7. 意義與應用前景

7.1 軌道電子學（Orbitronics）

熱驅動軌道角動量流的提出，為軌道電子學提供了關鍵物理機制。相比自旋流，軌道流可能具有更長的傳播距離和更弱的磁噪聲敏感性。

7.2 能量轉換與廢熱利用

軌道 Seebeck 效應為熱能向角動量轉換提供了全新通道，有望用于新型熱管理或熱驅動信息器件。

7.3 聲子學與拓撲晶格動力學

手性聲子與 Berry 曲率及拓撲性質密切相關，這使軌道 Seebeck 效應與拓撲聲子學自然結合，為實現具有拓撲保護的軌道輸運提供了可能。

8. 總結與展望

論文 《Orbital Seebeck effect induced by chiral phonons》 在非平衡凝聚態物理領域提出了一個重要的新概念：軌道角動量可以像電荷和自旋一樣，在溫度梯度作用下實現定向輸運。該工作不僅擴展了 Seebeck 效應的內涵，也強調了聲子在角動量物理中的核心作用。

從更宏觀的角度看，這項研究體現了當代凝聚態物理的一個重要趨勢：熱不再僅僅是耗散的來源，而是可以作為驅動幾何與量子輸運的有效手段。隨著實驗技術的發展，軌道 Seebeck 效應有望在未來被直接觀測，并在新型熱–信息耦合器件中發揮作用。