《自然·物理学》重磅：手性声子“转”出的轨道 Seebeck 效应

1. 引言

热电效应以及由温度驱动的输运现象长期以来一直是凝聚态物理中的核心研究主题，它们既是非平衡物理的基本体现，也是能量转换和信息处理的重要机制。经典的 Seebeck 效应描述了温度梯度产生电压的现象，是最早被发现的热输运效应之一。近几十年来，随着自旋热电子学（spin caloritronics）的发展，热驱动输运的内涵得到了显著扩展，其中最具代表性的是自旋 Seebeck 效应，即热流可以在不伴随电荷流的情况下产生纯自旋流。

在这一研究背景下，发表在《自然·物理学》的论文 《Orbital Seebeck effect induced by chiral phonons》 提出了一个全新的物理概念：温度梯度可以在没有电荷输运、磁序或强自旋–轨道耦合的条件下，产生轨道角动量流。作者将这一现象命名为轨道 Seebeck 效应（Orbital Seebeck Effect, OSE）。这一效应并非直接由电子输运产生，而是由手性声子所介导，体现了声子、轨道自由度与非平衡输运之间的深刻联系，也为正在兴起的“轨道电子学”奠定了重要基础。

2. 背景：从自旋自由度到轨道自由度

2.1 超越电荷与自旋

传统电子学依赖电子的电荷自由度，而自旋电子学则利用电子自旋来编码和操控信息。然而，自旋输运通常需要磁性材料或强自旋–轨道耦合，这在材料选择、器件集成以及相干长度方面都带来一定限制。

近年来，轨道自由度逐渐受到关注。轨道角动量源于电子波函数的空间分布和轨道对称性，在原理上可以独立于自旋存在。与自旋相比，轨道自由度：

• 不必依赖磁序
• 可在轻元素和非磁性材料中实现
• 可能具有更长的弛豫长度

这些特性使其成为潜在的信息新载体。

2.2 声子作为角动量载体

在传统观点中，声子主要承担能量和动量的传输功能。然而，在缺乏反演对称性或具有特定晶格对称性的晶体中，声子模可以携带确定的角动量。这类声子被称为手性声子，其特征是在一个晶胞内原子呈现圆周或椭圆轨道运动。

手性声子携带的角动量在物理上类似于圆偏振光子所携带的角动量，这一认识彻底改变了人们对晶格振动的传统理解，也为声子参与角动量输运提供了理论基础。

3. 轨道 Seebeck 效应的核心思想

论文的核心观点是：在存在手性声子的材料中，温度梯度能够驱动轨道角动量的定向输运。这一效应在概念上与自旋 Seebeck 效应类似，但具有本质差异：

1. 输运的物理量是轨道角动量而非自旋
2. 效应的产生不需要磁性
3. 该效应由声子主导而非电子自旋极化

在轨道 Seebeck 效应中，温度梯度导致手性声子分布偏离平衡态，由于不同声子模携带不同符号和大小的轨道角动量，这种不平衡最终产生净的轨道角动量流。

4. 物理机制

4.1 非平衡声子分布

当晶体两端存在温度梯度时，热端的声子激发显著增强，而冷端声子占据较少。在具有手性声子的体系中，即使左旋和右旋声子在平衡态下是简并的，在非平衡条件下它们的贡献也会出现差异。

4.2 声子的轨道角动量

每一种手性声子模都携带内禀的轨道角动量，这源于原子在晶胞内的旋转振动。这种轨道角动量可以通过晶格动力学理论，并结合 Berry 相位与几何量的形式化方法进行严格定义。

4.3 轨道角动量流的形成

在温度梯度作用下，声子从高温区向低温区传播。由于这些传播的声子携带轨道角动量，其集体运动自然形成纯轨道角动量流。这一过程不涉及电荷输运，也不依赖自旋极化，是一种全新的热驱动输运机制。

5. 理论框架

作者基于声子 Boltzmann 输运理论构建了轨道 Seebeck 效应的微观理论框架，主要包括：

• 声子轨道角动量的严格定义
• 温度梯度下非平衡分布函数的处理
• 采用线性响应理论建立轨道角动量流与温度梯度之间的关系

在此基础上，引入了轨道 Seebeck 系数，用以定量描述单位温度梯度所产生的轨道角动量流强度。理论分析表明，只要体系中存在手性声子，该系数即为非零，与是否存在磁性或自旋–轨道耦合无关。

6. 与相关输运效应的比较

轨道 Seebeck 效应可与其他经典输运现象进行对比：

• 传统 Seebeck 效应：热 → 电荷流
• 自旋 Seebeck 效应：热 → 自旋流
• 轨道 Seebeck 效应：热 → 轨道角动量流

与通常需要铁磁材料的自旋 Seebeck 效应不同，轨道 Seebeck 效应可以存在于非磁性、破缺反演对称性的晶体中，这极大拓宽了可实现该效应的材料体系。

7. 意义与应用前景

7.1 轨道电子学（Orbitronics）

热驱动轨道角动量流的提出，为轨道电子学提供了关键物理机制。相比自旋流，轨道流可能具有更长的传播距离和更弱的磁噪声敏感性。

7.2 能量转换与废热利用

轨道 Seebeck 效应为热能向角动量转换提供了全新通道，有望用于新型热管理或热驱动信息器件。

7.3 声子学与拓扑晶格动力学

手性声子与 Berry 曲率及拓扑性质密切相关，这使轨道 Seebeck 效应与拓扑声子学自然结合，为实现具有拓扑保护的轨道输运提供了可能。

8. 总结与展望

论文 《Orbital Seebeck effect induced by chiral phonons》 在非平衡凝聚态物理领域提出了一个重要的新概念：轨道角动量可以像电荷和自旋一样，在温度梯度作用下实现定向输运。该工作不仅扩展了 Seebeck 效应的内涵，也强调了声子在角动量物理中的核心作用。

从更宏观的角度看，这项研究体现了当代凝聚态物理的一个重要趋势：热不再仅仅是耗散的来源，而是可以作为驱动几何与量子输运的有效手段。随着实验技术的发展，轨道 Seebeck 效应有望在未来被直接观测，并在新型热–信息耦合器件中发挥作用。