中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室的姚道新教授最近在Science Bulletin 期刊上发表了题为“Einstein-de Haas effect: a bridge linking mechanics, magnetism, and topology”的展望论文。文章系统介绍了爱因斯坦-德哈斯效应的最新研究进展，涵盖了电子与晶格之间角动量转移的微观机制，爱因斯坦-德哈斯效应在拓扑系统中的体现，以及手征选择性磁-声耦合等重要内容。
图1 爱因斯坦德-哈斯效应。（a）实验装置；（b）理论机制。
爱因斯坦-德哈斯效应是指由磁化诱导的机械旋转现象。如图1(a)所示，一个圆柱形的铁磁体通过细线悬挂，并在其表面缠绕导线；当电流通过导线时，铁磁体发生旋转。该效应在一个多世纪前便已成功实现。然而，随着自旋电子学及磁子学的迅速发展，这一“百年老树”不断焕发新芽，为科研工作者带来了丰富的惊喜与启示。首先是电子与晶格之间的角动量转移机制。在早期，科学家主要聚焦于爱因斯坦德-哈斯效应的实验实现，对其微观机制的探索则多停留在唯象理论层面。伴随着超快退磁技术的进步，探测晶格动力学和退磁的手段日益精进，近年来对爱因斯坦德-哈斯效应起源的认识取得了显著进展，电子轨道、自旋和晶格等自由度之间的角动量转移变得愈发清晰。在这一研究过程中，手性声子和声子磁矩等新概念被提出，不仅将声子角动量引入爱因斯坦-德哈斯效应的研究范畴，还揭示了声-磁耦合的手征选择性和非对易性等重要特性。这些发现为谷电子学（特别是电子谷内和谷间散射）以及声子热霍尔效应的理论研究提供了新的思路。另一方面,这些进展对基于磁力耦合的功能型传感器、存储器件、新型材料设计以及量子信息处理等应用也具有重要意义。
图2 爱因斯坦-德哈斯效应联系起磁学、拓扑、力学。(a) 超快退磁过程；（b）声子热霍尔效应；（c）声子磁矩；（d）手性声子。
与此同时，在凝聚态物理学的“新宠”—拓扑物态领域，爱因斯坦-德哈斯效应也开始展现其价值。对于拓扑磁子系统，贝利曲率可以赋予磁子额外的“轨道角动量”，与固有的自旋角动量相结合，使得系统能够自主实现该效应。目前，关于拓扑磁子爱因斯坦-德哈斯效应的实验尚待实现。值得注意的是，在拓扑磁性材料中，拓扑角动量和机械角动量均对该效应产生贡献，因此开发区分和量化这两种角动量贡献的实验技术是当前研究的重点。除了动量空间中的拓扑系统，实空间中的斯格明子系统也是实现爱因斯坦-德哈斯效应的良好载体。通过角动量转移的力学手段，可以有效调控斯格明子的大小、形变及输运特性。由此，爱因斯坦-德哈斯效应这一基础而深刻的概念，将磁学、拓扑、力学紧密交织，构建了蕴含研究潜力的交叉网络。
图3 拓扑磁子的爱因斯坦-德哈斯效应。（a）理论机制；（b）实验构想；（c）斯格明子系统。
值得一提的是，爱因斯坦-德哈斯效应不仅在物理领域影响深远，其研究意义还延伸至生物学、医学等多个学科。最新研究表明，某些生物体（例如一些鸟类和昆虫）可能依赖于原子级别的磁性相互作用进行导航，这与爱因斯坦-德哈斯效应的基本原理存在直接的关联。科学家们正致力于揭示这些磁感应现象背后的生物物理机制。另外，该效应的实验体系正逐步从宏观层面过渡到微观层面，甚至包括纳米尺度及分子尺度的研究。这种对微观磁体系的探索，能够在一定程度上促进磁性纳米颗粒在医学领域的应用，比如磁性分离、磁性转染、磁性药物靶向、肿瘤磁热疗、核磁共振成像等。
图4 爱因斯坦-德哈斯效应在生物、医学中的应用。（a）磁感现象中的MagRs机制；（b）肿瘤磁热疗；（c）磁性转染。
研究成果于近期发表在Science Bulletin（DOI: 10.1016/j.scib.2024.12.006）。中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室博士研究生聂新为论文的第一作者，中山大学姚道新教授为通讯作者。
上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东特支计划领军人才项目等的资助。
